Een internationaal team van astrofysici onder leiding van de Australische professor Matthew Bailes, van het ARC Center of Excellence van Gravitational Wave Discovery (OzGrav), heeft opwindend nieuw bewijs getoond voor 'frame-dragging' - hoe het draaien van een hemellichaam ruimte en tijd verdraait - na bijna twee decennia de baan van een exotisch stellair paar te hebben gevolgd. De gegevens, wat verder bewijs is voor Einsteins algemene relativiteitstheorie, wordt vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Meer dan een eeuw geleden, Albert Einstein publiceerde zijn iconische theorie van de algemene relativiteitstheorie - dat de zwaartekracht voortkomt uit de kromming van ruimte en tijd en dat objecten, zoals de zon en de aarde, verander deze geometrie. Vooruitgang in instrumentatie heeft geleid tot een stortvloed van recente (Nobelprijswinnende) wetenschap van verschijnselen verder weg die verband houden met de algemene relativiteitstheorie. De ontdekking van zwaartekrachtsgolven werd aangekondigd in 2016; de eerste afbeelding van de schaduw van een zwart gat en sterren die rond het superzware zwarte gat in het centrum van onze eigen melkweg draaien, werd vorig jaar gepubliceerd.

Bijna 20 jaar geleden, een team onder leiding van professor Bailes van de Swinburne University of Technology - directeur van het ARC Center of Excellence in Gravitational Wave Discovery (OzGrav) - begon met het observeren van twee sterren die met verbazingwekkende snelheden om elkaar heen draaien met de CSIRO Parkes 64-meter radiotelescoop. De ene is een witte dwerg, de grootte van de aarde maar 300, 000 keer zijn dichtheid; de andere is een neutronenster die, terwijl slechts 20 kilometer in diameter, is ongeveer 100 miljard keer de dichtheid van de aarde. Het systeem, die werd ontdekt in Parkes, is een relativistisch-wondersysteem dat de naam "PSR J1141-6545" draagt.

Voordat de ster opblies (een neutronenster werd), een miljoen jaar geleden, het begon op te zwellen en gooide zijn buitenste kern weg die op de witte dwerg in de buurt viel. Dit vallende puin deed de witte dwerg steeds sneller draaien, totdat zijn dag alleen in minuten werd gemeten.

In 1918 (drie jaar nadat Einstein zijn theorie publiceerde), De Oostenrijkse wiskundigen Josef Lense en Hans Thirring realiseerden zich dat als Einstein gelijk had, alle roterende lichamen het weefsel van de ruimtetijd met zich mee zouden moeten 'slepen'. In het dagelijkse leven, het effect is minuscuul en bijna niet waarneembaar. Eerder deze eeuw, het eerste experimentele bewijs voor dit effect werd gezien in gyroscopen in een baan om de aarde, waarvan de oriëntatie werd gesleept in de richting van de draaiing van de aarde. Een snel draaiende witte dwerg, zoals die in PSR J1141-6545, sleept de ruimtetijd 100 miljoen keer zo sterk!

Een pulsar in een baan rond zo'n witte dwerg biedt een unieke kans om de theorie van Einstein te onderzoeken in een nieuw ultrarelativistisch regime.

Hoofdauteur van de huidige studie, Dr. Vivek Venkatraman Krishnan (van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie-MPIfR) kreeg de niet benijdenswaardige taak om alle concurrerende relativistische effecten die in het systeem spelen te ontwarren als onderdeel van zijn Ph.D. aan de Swinburne University of Technology. Hij merkte op dat, tenzij hij een geleidelijke verandering in de richting van het vlak van de baan toestond, Algemene relativiteit sloeg nergens op.

Dr. Paulo Friere van MPIfR realiseerde zich dat frame-slepen van de hele baan hun kantelende baan zou kunnen verklaren en het team presenteert overtuigend bewijs ter ondersteuning hiervan in het tijdschriftartikel van vandaag - het laat zien dat de algemene relativiteitstheorie springlevend is, met nog een van zijn vele voorspellingen.

Het resultaat is vooral verheugend voor teamleden Bailes, Willem van Straten (Auckland University of Tech) en Ramesh Bhat (ICRAR-Curtin) die sinds het begin van de jaren 2000 naar de Parkes 64m-telescoop trekken, geduldig de baan in kaart brengen met als uiteindelijk doel het bestuderen van Einsteins heelal. "Dit maakt alle late nachten en vroege ochtenden de moeite waard, " zei Bhat.

Deskundig commentaar:

Hoofdauteur Vivek Venkatraman Krishnan, Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR):"In het begin het stellaire paar leek veel van de klassieke effecten te vertonen die de theorie van Einstein voorspelde. We merkten toen een geleidelijke verandering in de oriëntatie van het vlak van de baan."

"Pulsars zijn kosmische klokken. Hun hoge rotatiestabiliteit betekent dat elke afwijking van de verwachte aankomsttijd van zijn pulsen waarschijnlijk te wijten is aan de beweging van de pulsar of aan de elektronen en magnetische velden die de pulsen tegenkomen. Pulsar-timing is een krachtige techniek waarbij we gebruik atoomklokken bij radiotelescopen om de aankomsttijd van de pulsen van de pulsar tot zeer hoge precisie te schatten. De beweging van de pulsar in zijn baan moduleert de aankomsttijd, waardoor de meting mogelijk wordt."

Dr. Paulo Freire:"We veronderstelden dat dit zou kunnen zijn, ten minste gedeeltelijk, vanwege het zogenaamde 'frame-slepen' waaraan alle materie onderhevig is in de aanwezigheid van een roterend lichaam, zoals voorspeld door de Oostenrijkse wiskundigen Lense en Thirring in 1918."

Professor Thomas Tauris, Universiteit van Aarhus:"In een stellair paar, de eerste ster die instort, roteert vaak snel vanwege de daaropvolgende massaoverdracht van zijn metgezel. De simulaties van Tauris hielpen bij het kwantificeren van de omvang van de spin van de witte dwerg. In dit systeem wordt de hele baan rondgesleept door de spin van de witte dwerg, die niet goed is uitgelijnd met de baan."

Dr. Norbert Wex, Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR):"Een van de eerste bevestigingen van frame-dragging gebruikte vier gyroscopen in een satelliet in een baan rond de aarde, maar in ons systeem zijn de effecten 100 miljoen keer sterker."

Evan Keane (SKA Organisatie):"Pulsars zijn superklokken in de ruimte. Superklokken in sterke zwaartekrachtsvelden zijn de droomlaboratoria van Einstein. We hebben een van de meest ongewone hiervan bestudeerd in dit dubbelstersysteem. Behandeling van de periodieke lichtpulsen van de pulsar als de tikken van een klok kunnen we veel zwaartekrachteffecten zien en ontwarren als ze de orbitale configuratie veranderen, en de aankomsttijd van de kloktikpulsen. In dit geval hebben we Lens-Thirring precessie gezien, een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie, voor het eerst in een sterrenstelsel."

Willem van Straten (AUT):"Na het uitsluiten van een reeks mogelijke experimentele fouten, we begonnen te vermoeden dat de interactie tussen de witte dwerg en de neutronenster niet zo eenvoudig was als tot nu toe werd aangenomen."