In het hart van elke witte dwergster - het dichte stellaire object dat overblijft nadat een ster zijn brandstofreserve aan gassen heeft opgebrand terwijl het het einde van zijn levenscyclus nadert - ligt een kwantumraadsel:als witte dwergen massa toevoegen, ze krimpen in omvang, totdat ze zo klein en dicht opeengepakt worden dat ze zichzelf niet kunnen onderhouden, instorten tot een neutronenster.

Deze raadselachtige relatie tussen de massa en grootte van een witte dwerg, de massa-straalrelatie genoemd, werd voor het eerst getheoretiseerd door de Nobelprijswinnende astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar in de jaren dertig. Nutsvoorzieningen, een team van Johns Hopkins-astrofysici heeft een methode ontwikkeld om het fenomeen zelf te observeren met behulp van astronomische gegevens die zijn verzameld door de Sloan Digital Sky Survey en een recente dataset die is vrijgegeven door het Gaia Space Observatory. De gecombineerde datasets leverden meer dan 3, 000 witte dwergen voor het team om te bestuderen.

Een verslag van hun bevindingen, onder leiding van Hopkins senior Vedant Chandra, is nu in de pers in Astrofysisch tijdschrift en online beschikbaar op arXiv.

"De relatie tussen massa en straal is een spectaculaire combinatie van kwantummechanica en zwaartekracht, maar het is contra-intuïtief voor ons - we denken dat als een object aan massa wint, het moet groter worden " zegt Nadia Zakamska, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde die de student-onderzoekers begeleidde. "De theorie bestaat al heel lang, maar wat opvalt, is dat de dataset die we gebruikten van ongekende omvang en ongekende nauwkeurigheid is. Deze meetmethoden, die in sommige gevallen jaren geleden zijn ontwikkeld, ineens werken zo veel beter en deze oude theorieën kunnen eindelijk worden onderzocht."

Het team behaalde hun resultaten met een combinatie van metingen, waaronder voornamelijk het zwaartekracht-roodverschuivingseffect, dat is de verandering van golflengten van licht van blauw naar rood als licht zich van een object verwijdert. Het is een direct gevolg van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

"Naar mij, het mooie van dit werk is dat we allemaal deze theorieën leren over hoe licht wordt beïnvloed door de zwaartekracht op school en in schoolboeken, maar nu zien we die relatie in de sterren zelf, " zegt vijfdejaars student Hsiang-Chih Hwang, die de studie voorstelde en als eerste het zwaartekrachteffect van de roodverschuiving in de gegevens herkenden.

Het team moest ook verklaren hoe de beweging van een ster door de ruimte de perceptie van zijn zwaartekracht roodverschuiving zou kunnen beïnvloeden. Vergelijkbaar met hoe een sirene van een brandweerwagen van toonhoogte verandert afhankelijk van zijn beweging in relatie tot de persoon die luistert, lichtfrequenties veranderen ook afhankelijk van de beweging van het lichtgevende object ten opzichte van de waarnemer. Dit wordt het Doppler-effect genoemd, en is in wezen een afleidend "geluid" dat de meting van het zwaartekracht-roodverschuivingseffect bemoeilijkt, zegt studiemedewerker Sihao Cheng, een vierdejaarsstudent.

Om rekening te houden met de variaties veroorzaakt door het Doppler-effect, het team classificeerde witte dwergen in hun steekproefset op straal. Vervolgens namen ze het gemiddelde van de roodverschuivingen van sterren van vergelijkbare grootte, effectief bepalen dat het niet uitmaakt waar een ster zelf zich bevindt of waar hij beweegt ten opzichte van de aarde, er kan worden verwacht dat het een intrinsieke gravitationele roodverschuiving van een bepaalde waarde heeft. Zie het als het nemen van een gemiddelde meting van alle velden van alle brandweerauto's die zich op een bepaald moment in een bepaald gebied bewegen - je kunt verwachten dat elke brandweerauto, het maakt niet uit in welke richting het beweegt, een intrinsieke toonhoogte van die gemiddelde waarde zal hebben.

Deze intrinsieke gravitationele roodverschuivingswaarden kunnen worden gebruikt om sterren te bestuderen die in toekomstige datasets worden waargenomen. De onderzoekers zeggen dat aankomende datasets die groter en nauwkeuriger zijn, hun metingen verder kunnen verfijnen. en dat deze gegevens kunnen bijdragen aan de toekomstige analyse van de chemische samenstelling van witte dwergen.

Ze zeggen ook dat hun studie een opwindende vooruitgang betekent van theorie naar waargenomen verschijnselen.

"Omdat de ster kleiner wordt naarmate hij zwaarder wordt, het zwaartekracht-roodverschuivingseffect groeit ook met massa, "Zegt Zakamska. "En dit is een beetje gemakkelijker te begrijpen - het is gemakkelijker om uit een minder dichte, groter object dan het is om uit een massiever, compacter voorwerp. En dat is precies wat we zagen in de gegevens."

Het team vindt zelfs een vast publiek voor hun onderzoek thuis, waar ze hun werk hebben gedaan tijdens de coronaviruspandemie.

"De manier waarop ik het aan mijn opa heb geprezen is, je ziet in feite de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van Einstein samenkomen om dit resultaat te produceren, "zegt Chandra. "Hij was erg opgewonden toen ik het zo uitdrukte."