Jednym z przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina jest to, że każde obracające się ciało przesuwa wokół siebie samą strukturę czasoprzestrzeni. Zjawisko to jest znane jako „przeciąganie ramek”.
W życiu codziennym przeciąganie i upuszczanie ramek nie ma znaczenia, ponieważ efekt jest niewiarygodnie mały. Wykrywanie tego efektu, spowodowanego przez cały obrót Ziemi, wymaga satelitów, takich jak sonda grawitacyjna B o wartości 750 milionów dolarów, która wykryła zmiany kątowe w żyroskopach odpowiadające jednemu stopniowi na mniej więcej 100 000 lat.
Na szczęście we wszechświecie istnieje wiele laboratoriów grawitacji naturalnej, w których fizycy mogą obserwować przepowiednie Einsteina w całej okazałości.
Krzywizna czasoprzestrzeni. (Mark Myers / OzGrav ARC Centre of Excellence)
Badanie przeprowadzone przez zespół naukowców, opublikowane w czasopiśmie Science, ujawnia dowody na przeciąganie i upuszczanie ramek na znacznie bardziej widoczną skalę za pomocą radioteleskopu i unikalnej pary kompaktowych gwiazd krążących wokół siebie z zawrotną prędkością.
Ruch tych gwiazd mógł zdziwić astronomów w czasach Newtona, ponieważ wyraźnie poruszają się one w zakrzywionej czasoprzestrzeni, a do wyjaśnienia ich trajektorii wymagana jest ogólna teoria względności Einsteina.
Ogólna teoria względności jest podstawą współczesnej teorii grawitacji. To wyjaśnia dokładny ruch gwiazd, planet i satelitów, a nawet upływ czasu. Jednym z jej mniej znanych przewidywań jest to, że wirujące ciała ciągną ze sobą czasoprzestrzeń. Im szybciej obiekt się obraca i im jest masywniejszy, tym bardziej zauważalne jest przesunięcie czasoprzestrzenne.
Jednym z rodzajów obiektów jest biały karzeł. Są to pozostałości po martwych gwiazdach, które kiedyś miały masę kilka razy większą od naszego Słońca, ale wyczerpały swoje paliwo wodorowe.
To, co pozostaje, ma podobne rozmiary do Ziemi, ale jest setki tysięcy razy bardziej masywne. Białe karły mogą się również obracać bardzo szybko, wykonując pełny obrót co minutę lub dwie, a nie 24 godziny, jak na Ziemi.
Przeciąganie spowodowane przez takiego białego karła byłoby około 100 milionów razy silniejsze niż na Ziemi.
To wszystko dobrze, ale nie możemy polecieć na białego karła i wystrzelić wokół niego satelitów. Na szczęście natura jest łaskawa dla astronomów i na swój własny sposób pozwala nam obserwować ją poprzez orbitujące gwiazdy zwane pulsarami.
Dwadzieścia lat temu radioteleskop CSIRO Parkes odkrył unikalną parę gwiazd składającą się z białego karła (wielkości Ziemi, ale około 300 000 razy cięższego) i pulsara radiowego (wielkości małego miasta, ale 400 000 razy cięższego od Ziemi).
W porównaniu z białymi karłami, pulsary są generalnie na innym poziomie. Nie są zbudowane ze zwykłych atomów, ale neutronów sprasowanych razem, dzięki czemu są niesamowicie gęste. Ponadto pulsar obraca się 150 razy na minutę.
Oznacza to, że 150 razy na minutę „wiązka światła” fal radiowych emitowanych przez ten pulsar omija nasz punkt obserwacyjny na Ziemi. Możemy to wykorzystać do wykreślenia ścieżki pulsara obracającego się wokół białego karła, w oparciu o czas, w którym jego puls dociera do naszego teleskopu i znając prędkość światła. Ta metoda wykazała, że dwie gwiazdy krążą wokół siebie w mniej niż 5 godzin.
Ta para, oficjalnie nazwana PSR J1141-6545, jest idealnym laboratorium grawitacyjnym. Od 2001 roku naukowcy podróżowali do CSIRO Parkes kilka razy w roku, aby sporządzić mapę orbity tego układu, która pokazuje wiele efektów grawitacyjnych Einsteina.
Mimo że PSR J1141-6545 jest oddalony o kilkaset biliardów kilometrów (biliard – milionów miliardów), wiemy, że pulsar obraca się 2,5387230404 razy na sekundę i że jego orbita jest w równowadze.
Oznacza to, że płaszczyzna jego orbity nie jest ustalona, ale obraca się powoli.
Jak powstał ten system?
Kiedy powstają pary gwiazd, najmasywniejsza z nich umiera jako pierwsza, często tworząc białego karła. Zanim umrze druga gwiazda, przekazuje materię swojemu towarzyszowi.
Biały karzeł, który obraca się, pochłaniając materię od swojego towarzysza. (Centrum Doskonałości ARC do wykrywania fal grawitacyjnych)
Dysk tworzy się, gdy ta materia spada w kierunku białego karła i przyspiesza białego karła na dziesiątki tysięcy lat.
W rzadkich przypadkach, takich jak ta, druga gwiazda może eksplodować w supernową, pozostawiając pulsara. Szybko wirujący biały karzeł ciągnie ze sobą czasoprzestrzeń, zmuszając płaszczyznę orbity pulsara do przechylenia. To nachylenie jest tym, co zaobserwowaliśmy podczas mapowania orbity pulsara.
Sam Einstein uważał, że wiele z jego przewidywań dotyczących czasu i przestrzeni nigdy nie zostanie odkrytych. Ale w ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła rewolucja w ekstremalnej astrofizyce, w tym odkrycie fal grawitacyjnych i zdjęcia czarnej dziury za pomocą światowej sieci teleskopów.
Matthew Bales, członek ARC Research Fellow, Swinburne University of Technology, Max Planck Institute Research Fellow.
Ten artykuł został opublikowany przez The Conversation.
Źródła: Zdjęcie: Mark Myers / OzGrav ARC Centre of Excellence / Swinburne University of Technology
