Wat zegt Albert Einstein, het Global Positioning System (GPS), en een paar sterren 200, 000 biljoen mijl van de aarde met elkaar gemeen hebben?

Het antwoord is een effect van Einsteins algemene relativiteitstheorie, genaamd de "gravitationele roodverschuiving, " waar licht wordt verschoven naar rodere kleuren vanwege de zwaartekracht. Met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory, astronomen hebben het fenomeen ontdekt in twee sterren die om elkaar heen draaien in onze melkweg rond 29, 000 lichtjaar (200, 000 biljoen mijl) verwijderd van de aarde. Hoewel deze sterren erg ver weg zijn, zwaartekracht roodverschuivingen hebben tastbare gevolgen voor het moderne leven, aangezien wetenschappers en ingenieurs er rekening mee moeten houden om nauwkeurige GPS-posities mogelijk te maken.

Terwijl wetenschappers onweerlegbaar bewijs hebben gevonden van gravitationele roodverschuivingen in ons zonnestelsel, het was een uitdaging om ze te observeren in verder weg gelegen objecten in de ruimte. De nieuwe Chandra-resultaten leveren overtuigend bewijs voor gravitationele roodverschuivingseffecten in een nieuwe kosmische omgeving.

Het intrigerende systeem dat bekend staat als 4U 1916-053 bevat twee sterren in een opmerkelijk nauwe baan om de aarde. Een daarvan is de kern van een ster waarvan de buitenste lagen zijn verwijderd, een ster achterlatend die veel dichter is dan de zon. De andere is een neutronenster, een nog dichter object gecreëerd wanneer een massieve ster instort in een supernova-explosie. De neutronenster (grijs) wordt in deze artist's impression getoond in het midden van een schijf van heet gas die is weggetrokken van zijn metgezel (witte ster links).

Deze twee compacte sterren zijn slechts ongeveer 215, 000 mijl uit elkaar, ongeveer de afstand tussen de aarde en de maan. Terwijl de maan eenmaal per maand om onze planeet draait, de dichte begeleidende ster in 4U 1916-053 zweept rond de neutronenster en voltooit een volledige baan in slechts 50 minuten.

In het nieuwe werk op 4U 1916-053, het team analyseerde röntgenspectra, dat wil zeggen de hoeveelheden röntgenstralen op verschillende golflengten - van Chandra. Ze vonden de karakteristieke signatuur van de absorptie van röntgenlicht door ijzer en silicium in de spectra. In drie afzonderlijke observaties met Chandra, de gegevens laten een scherpe daling zien in de gedetecteerde hoeveelheid röntgenstralen in de buurt van de golflengten waar de ijzer- of siliciumatomen de röntgenstralen naar verwachting zullen absorberen. Een van de spectra die absorptie door ijzer laat zien - de dips links en rechts - is opgenomen in de hoofdafbeelding. Een extra grafiek toont een spectrum met absorptie door silicium. In beide spectra worden de gegevens in grijs weergegeven en een computermodel in rood.

Echter, de golflengten van deze karakteristieke handtekeningen van ijzer en silicium werden verschoven naar langer, of rodere golflengten vergeleken met de laboratoriumwaarden die hier op aarde worden gevonden (weergegeven met de blauwe, verticale lijn voor elke absorptiesignatuur). De onderzoekers ontdekten dat de verschuiving van de absorptiekenmerken hetzelfde was in elk van de drie Chandra-waarnemingen, en dat het te groot was om te worden verklaard door beweging van ons af. In plaats daarvan concludeerden ze dat het werd veroorzaakt door de zwaartekracht roodverschuiving.

Hoe verhoudt dit zich tot de algemene relativiteitstheorie en GPS? Zoals voorspeld door de theorie van Einstein, klokken onder de zwaartekracht lopen langzamer dan klokken die worden bekeken vanuit een verafgelegen gebied met een zwakkere zwaartekracht. Dit betekent dat klokken op aarde die door satellieten in een baan om de aarde worden waargenomen, langzamer lopen. Om de hoge precisie te hebben die nodig is voor GPS, met dit effect moet rekening worden gehouden, anders ontstaan ​​er kleine tijdsverschillen die snel oplopen, onnauwkeurige posities berekenen.

Alle soorten licht, inclusief röntgenfoto's, worden ook beïnvloed door de zwaartekracht. Een analogie is die van een persoon die een roltrap oploopt die naar beneden gaat. Terwijl ze dit doen, de persoon verliest meer energie dan wanneer de roltrap stilstaat of omhoog gaat. De zwaartekracht heeft een soortgelijk effect op licht, waarbij een verlies aan energie een lagere frequentie geeft. Omdat licht in een vacuüm altijd met dezelfde snelheid reist, het verlies van energie en lagere frequentie betekent dat het licht, inclusief de handtekeningen van ijzer en silicium, verschuiven naar langere golflengten.

Dit is het eerste sterke bewijs dat absorptiesignaturen door de zwaartekracht worden verschoven naar langere golflengten in een paar sterren met een neutronenster of een zwart gat. Sterk bewijs voor gravitationele roodverschuivingen in absorptie is eerder waargenomen vanaf het oppervlak van witte dwergen, met golflengteverschuivingen typisch slechts ongeveer 15% van die voor 4U 1916-053.

Wetenschappers zeggen dat het waarschijnlijk is dat een gasvormige atmosfeer die de schijf nabij de neutronenster (weergegeven in blauw) bedekt, de röntgenstralen heeft geabsorbeerd, deze resultaten opleveren. (Deze atmosfeer staat los van de uitstulping van rood gas in het buitenste deel van de schijf die het licht van het binnenste deel van de schijf één keer per baan blokkeert.) Door de grootte van de verschuiving in de spectra kon het team berekenen hoe ver deze atmosfeer verwijderd is van de neutronenster, met behulp van de algemene relativiteitstheorie en uitgaande van een standaardmassa voor de neutronenster. Ze ontdekten dat de atmosfeer zich op 1 bevindt 500 mijl van de neutronenster, ongeveer de helft van de afstand van Los Angeles tot New York en gelijk aan slechts 0,7% van de afstand van de neutronenster tot de metgezel. Het strekt zich waarschijnlijk uit over honderden kilometers van de neutronenster.

In twee van de drie spectra is er ook bewijs voor absorptiesignaturen die zijn verschoven naar nog rodere golflengten, overeenkomend met een afstand van slechts 0,04% van de afstand van de neutronenster tot de metgezel. Echter, deze handtekeningen worden met minder zekerheid gedetecteerd dan degene die verder van de neutronenster verwijderd zijn.

Wetenschappers hebben het komende jaar extra Chandra-observatietijd gekregen om dit systeem in meer detail te bestuderen.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, werd op 10 augustus gepubliceerd, 2020 nummer van The Astrofysisch tijdschrift .