Einstein hafði rétt fyrir sér — hingað til
Massamesta tifstjarna sem fundist hefur leyfir áður ógerlegar prófanir á almennu afstæði
Sævar Helgi Bragason
25. apr. 2013
Fréttir
Stjörnufræðingar hafa fundið sérkennilegt tvístirni sem gerir mönnum kleift að gera prófanir á afstæðiskenningu Einsteins
Stjörnufræðingar sem notuðu Very Large Telescope ESO og útvarpssjónauka víða um heim, hafa fundið og rannsakað sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af massamestu nifteindastjörnu sem fundist hefur hingað til og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana. Þetta nýja og furðulega tvístirni gerir mönnum kleift að gera prófanir á almennu afstæðiskenningu Einsteins sem áður voru ómögulegar. Hingað til hafa mælingarnar komið nákvæmlega heim og saman við spár afstæðiskenningarinnar en brjóta í bága við sumar aðrar óhefðbundnari kenningar. Niðurstöðurnar eru birtar í tímaritinu Science sem kemur út 26. apríl 2013.
Alþjóðlegur hópur stjörnufræðinga hefur uppgötvaði sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af lítilli en óvenju þungri nifteindastjörnu sem snýst 25 sinnum á sekúndu um sjálfa sig og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana á tveimur og hálfri klukkustund. Nifteindastjarnan er tifstjarna sem gefur frá sér útvarpsbylgjur sem hægt er að nema með útvarpssjónaukum á Jörðinni. Þótt þetta óvenjulega par sé mjög áhugavert út af fyrir sig, er það líka einstök tilraunastofa til að rannsaka takmarkanir á kenningum eðlisfræðinnar.
Tifstjarnan kallast PSR J0348+0432 og er leifar sprengistjörnu. Hún er tvisvar sinnum þyngri en sólin okkar en aðeins 20 km í þvermál. Þyngdartogið á yfirborði hennar er 300 milljörðum sinnum sterkara en á yfirborði Jarðar og í miðju hennar inniheldur rúmmál á stærð við sykurmola um einn milljarð tonna af efni. Förunautur hennar er hvítur dvergur, stjarna sem er ekki alveg jafn furðuleg en er glóandi leifar mun léttari stjörnu sem hefur glatað ytri lögum sínum og er að kólna hægt og sígandi.
„Ég vann að mælingum á kerfinu með Very Large Telescope ESO og leitaði að breytingum á ljósinu sem barst frá hvíta dvergnum vegna hreyfingar hans um tifstjörnuna,“ segir John Antoniadis, doktorsnemi við Max Planck stofnunina í útvarpsstjörnufræði (MPIfR) í Bonn og aðalhöfundur greinar um rannsóknina. „Strax í upphafi varð mér ljóst að tifstjarnan var einstaklega þung. Hún er tvisvar sinnum massameiri en sólin okkar og því massamesta nifteindastjarna sem við vitum um en er líka framúrskarandi tilraunastofa fyrir grundvallareðlisfræði.“
Almenna afstæðiskenning Einsteins, sem segir að þyngdarkrafturinn sé afleiðing af sveigju tímarúmsins vegna massa og orku í því, hefur staðist allar prófanir frá því að hún kom fyrst fram á sjónarsviðið fyrir tæpri öld. Hún getur þó tæpast verið endanleg útskýring og hlýtur að bresta að lokum [1].
Eðlisfræðingar hafa komið fram með margar aðrar kenningar um þyngdarkraftinn gera aðrar spár en almenna afstæðiskenningin. Í tilviki sumra þessara kenninga, kæmi munurinn á spám þeirra aðeins fram þegar um mjög sterk þyngdarsvið er að ræða, nokkuð sem finnst hvergi í sólkerfinu okkar. Þyngdarsvið PSR J0348+0432 er mjög sterkt og fyrirbærið öfgakennt, jafnvel í samanburði við önnur tvístirni sem notuð hafa verið við nákvæmar prófanir á almennu afstæðiskenningu Einsteins [2]. Í svo sterkum þyngdarsviðum getur lítil aukning á massa leitt til þess að tímarúmið í kringum slík fyrirbæri breytist. Þar til nú höfðu stjörnufræðingar ekki hugmynd um hvað gerðist í námunda við svo massamikla nifteindastjörnu eins og PSR J0348+0432. Hún býður því upp á einstakt tækifæri til að gera enn nákvæmari prófanir.
Stjörnufræðingarnir notuðu mælingar frá Very Large Telescope á hvíta dvergnum auk mjög nákvæmra tímamælinga á tifstjörnunni sem gerðar voru með útvarpssjónaukum [3]. Jafn þétt tvístirni og þetta gefur frá sér þyngdarbylgjur og glatar orku. Það veldur því að umferðartiminn breytist lítillega en spár almennu afstæðiskenningarinnar og annarra kenninga gefa ólíkar niðurstöður.
„Útvarpsmælingar okkar voru svo nákvæmar að við höfum þegar náð að mæla breytingu á umferðartímanum niður í 8 milljónustu hluta úr sekúndu á ári, nákvæmlega það sem kenning Einsteins spáir fyrir um,“ segir Paulo Freire, annar meðlimur í hópnum.
Þessar mælingar marka aðeins upphafið að nákvæmum rannsóknum á þessu einstaka fyrirbæri en stjörnufræðingar munu nota það til að prófa almennt afstæði með sífellt meiri nákvæmni eftir því sem á líður.
Skýringar
[1] Ekki hefur tekist að samræma almennu afstæðiskenninguna og hina meginkenningu eðlisfræði 20. aldar, skammtakenninguna. Hún spáir líka fyrir um sérstæður við ákveðnar aðstæður, þar sem massi getur nálgast óeindanleika, eins og í miðju svarthols.
[2] Joseph Hooton Taylor yngri og Russell Hulse fundu fyrsta tifstjörnutvístirnið, PSR B1913+16, og hlutu fyrir það Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1993. Þeir mældu nákvæmlega breytingar á eiginleikum tvístirnisins og sýndu fram á að þær voru nákvæmlega í samræmi við orkutap vegna þyngdargeislunar eins og almenna afstæðiskenningin spáir fyrir um.
[3] Í þessari rannsókn voru notuð gögn frá útvarpssjónaukum í Effelsberg, Arecibo og Green Bank sem og Very Large Telescope ESO og William Herschel sjónaukanum.
Frekari upplýsingar
Sagt frá þessari rannsókn í greininni „A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit“, eftir John Antoniadis o.fl., sem birtist í tímaritinu Science þann 26. apríl 2013.
Í rannsóknarteyminu eru John Antoniadis (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR] í Bonn í Þýskalandi), Paulo C. C. Freire (MPIfR), Norbert Wex (MPIfR), Thomas M. Tauris (Argelander Institut für Astronomie í Bonn í Þýskalandi; MPIfR), Ryan S. Lynch (McGill University í Montreal í Kanada), Marten H. van Kerkwijk (University of Toronto í Kanada), Michael Kramer (MPIfR; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester í Bretlandi), Cees Bassa (Jodrell Bank), Vik S. Dhillon (University of Sheffield í Bretlandi), Thomas Driebe (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt í Bonn í Þýskalandi), Jason W. T. Hessels (ASTRON, the Netherlands Institute for Radio Astronomy í Dwingeloo í Hollandi; University of Amsterdam í Hollandi), Victoria M. Kaspi (McGill University), Vladislav I. Kondratiev (ASTRON; Lebedev Physical Institute í Moskvu í Rússlandi), Norbert Langer (Argelander Institut für Astronomie), Thomas R. Marsh (University of Warwick í Bretlandi), Maura A. McLaughlin (West Virginia University), Timothy T. Pennucci (Department of Astronomy, University of Virginia) Scott M. Ransom (National Radio Astronomy Observatory í Charlottesville í Bandaríkjunum), Ingrid H. Stairs (University of British Columbia í Vancouver í Kanada), Joeri van Leeuwen (ASTRON; University of Amsterdam), Joris P. W. Verbiest (MPIfR), David G. Whelan (Department of Astronomy, University of Virginia).
ESO er fremsta fjölþjóðlega stjörnustöð Evrópu og lang öflugasta stjörnustöð heims. Hún nýtur stuðnings 15 landa: Austurríkis, Belgíu, Brasilíu, Tékklands, Danmörku, Finnlands, Frakklands, Þýskalands, Ítalíu, Hollands, Portúgals, Spánar, Svíþjóðar, Sviss og Bretlands. ESO heldur úti metnaðarfullum verkefnum sem miða að hönnun, smíði og starfsemi öflugra stjörnustöðva á jörðinni sem gera stjörnufræðingum kleift að gera mikilvægar uppgötvanir. ESO leikur líka lykilhlutverk í að efla og skipuleggja samstarf í stjarnvísindarannsóknum. ESO starfrækir þrjár stjörnuathugunarstöðvar í heimsflokki: La Silla, Paranal og Chajnantor. Á Paranalfjalli starfrækir ESO Very Large Telescope, fullkomnustu stjörnusjónauka heims sem notaðir eru til athugana á sýnilegu ljósi og tvo kortlagningarsjónauka. VISTA er stærsti kortlagningarsjónauki veraldar fyrir innrautt ljós og VLT Survey Telescope er stærsti sjónauki heims sem eingöngu er ætlað að kortleggja himinn í sýnilegu ljósi. ESO er þátttakandi í ALMA, byltingarkenndum útvarpssjónauka og stærsta stjarnvísindaverkefni heims. ESO hyggur einnig á smíði 39 metra risasjónauka, European Extremely Large Telescope eða E-ELT sem verður „stærsta auga jarðar“.
Tenglar
Tengiliðir
Sævar Helgi Bragason
University of Iceland
Reykjavik, Iceland
Farsími: +354-896-1984
Tölvupóstur: [email protected]
Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESO eso1319.
Tengdar myndir
Þessi teikning listmanns sýnir sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af lítilli en mjög þungri nifteindastjörnu sem snýst 25 sinnum á sekúndu um sjálfa sig og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana á tveimur og hálfri klukkustund. Nifteindastjarnan er tifstjarna sem gefur frá sér útvarpsbylgjur sem hægt er að nema með útvarpssjónaukum á Jörðinni. Þótt þetta óvenjulega par sé mjög áhugavert út af fyrir sig, er það líka einstök tilraunastofa til að rannsaka takmarkanir á kenningum eðlisfræðinnar. Kerfið gefur frá sér þyngdargeislun, gárur í tímarúminu. Þótt stjörnufræðingar geti ekkimælt þessar bylgjur (sýndar sem reitir á myndinni) beint frá Jörðinni, er hægt að nema þær óbeint með því að mæla breytingarnar sem verða á braut kerfisins um þegar það tapar orku. Tifstjarnan er svo lítil að stærðarhlutföll fyrirbæranna tveggja eru ekki rétt á myndinni. Mynd: ESO/L. Calçada
Þessi teikning listmanns sýnir sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af lítilli en mjög þungri nifteindastjörnu sem snýst 25 sinnum á sekúndu um sjálfa sig og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana á tveimur og hálfri klukkustund. Nifteindastjarnan er tifstjarna sem gefur frá sér útvarpsbylgjur sem hægt er að nema með útvarpssjónaukum á Jörðinni. Þótt þetta óvenjulega par sé mjög áhugavert út af fyrir sig, er það líka einstök tilraunastofa til að rannsaka takmarkanir á kenningum eðlisfræðinnar. Tifstjarnan er svo lítil að stærðarhlutföll fyrirbæranna tveggja eru ekki rétt á myndinni. Mynd: ESO/L. Calçada
Einstein hafði rétt fyrir sér — hingað til
Massamesta tifstjarna sem fundist hefur leyfir áður ógerlegar prófanir á almennu afstæði
Sævar Helgi Bragason 25. apr. 2013 Fréttir
Stjörnufræðingar hafa fundið sérkennilegt tvístirni sem gerir mönnum kleift að gera prófanir á afstæðiskenningu Einsteins
Stjörnufræðingar sem notuðu Very Large Telescope ESO og útvarpssjónauka víða um heim, hafa fundið og rannsakað sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af massamestu nifteindastjörnu sem fundist hefur hingað til og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana. Þetta nýja og furðulega tvístirni gerir mönnum kleift að gera prófanir á almennu afstæðiskenningu Einsteins sem áður voru ómögulegar. Hingað til hafa mælingarnar komið nákvæmlega heim og saman við spár afstæðiskenningarinnar en brjóta í bága við sumar aðrar óhefðbundnari kenningar. Niðurstöðurnar eru birtar í tímaritinu Science sem kemur út 26. apríl 2013.
Alþjóðlegur hópur stjörnufræðinga hefur uppgötvaði sérkennilegt tvístirni sem samanstendur af lítilli en óvenju þungri nifteindastjörnu sem snýst 25 sinnum á sekúndu um sjálfa sig og hvítri dvergstjörnu sem hringsólar um hana á tveimur og hálfri klukkustund. Nifteindastjarnan er tifstjarna sem gefur frá sér útvarpsbylgjur sem hægt er að nema með útvarpssjónaukum á Jörðinni. Þótt þetta óvenjulega par sé mjög áhugavert út af fyrir sig, er það líka einstök tilraunastofa til að rannsaka takmarkanir á kenningum eðlisfræðinnar.
Tifstjarnan kallast PSR J0348+0432 og er leifar sprengistjörnu. Hún er tvisvar sinnum þyngri en sólin okkar en aðeins 20 km í þvermál. Þyngdartogið á yfirborði hennar er 300 milljörðum sinnum sterkara en á yfirborði Jarðar og í miðju hennar inniheldur rúmmál á stærð við sykurmola um einn milljarð tonna af efni. Förunautur hennar er hvítur dvergur, stjarna sem er ekki alveg jafn furðuleg en er glóandi leifar mun léttari stjörnu sem hefur glatað ytri lögum sínum og er að kólna hægt og sígandi.
„Ég vann að mælingum á kerfinu með Very Large Telescope ESO og leitaði að breytingum á ljósinu sem barst frá hvíta dvergnum vegna hreyfingar hans um tifstjörnuna,“ segir John Antoniadis, doktorsnemi við Max Planck stofnunina í útvarpsstjörnufræði (MPIfR) í Bonn og aðalhöfundur greinar um rannsóknina. „Strax í upphafi varð mér ljóst að tifstjarnan var einstaklega þung. Hún er tvisvar sinnum massameiri en sólin okkar og því massamesta nifteindastjarna sem við vitum um en er líka framúrskarandi tilraunastofa fyrir grundvallareðlisfræði.“
Almenna afstæðiskenning Einsteins, sem segir að þyngdarkrafturinn sé afleiðing af sveigju tímarúmsins vegna massa og orku í því, hefur staðist allar prófanir frá því að hún kom fyrst fram á sjónarsviðið fyrir tæpri öld. Hún getur þó tæpast verið endanleg útskýring og hlýtur að bresta að lokum [1].
Eðlisfræðingar hafa komið fram með margar aðrar kenningar um þyngdarkraftinn gera aðrar spár en almenna afstæðiskenningin. Í tilviki sumra þessara kenninga, kæmi munurinn á spám þeirra aðeins fram þegar um mjög sterk þyngdarsvið er að ræða, nokkuð sem finnst hvergi í sólkerfinu okkar. Þyngdarsvið PSR J0348+0432 er mjög sterkt og fyrirbærið öfgakennt, jafnvel í samanburði við önnur tvístirni sem notuð hafa verið við nákvæmar prófanir á almennu afstæðiskenningu Einsteins [2]. Í svo sterkum þyngdarsviðum getur lítil aukning á massa leitt til þess að tímarúmið í kringum slík fyrirbæri breytist. Þar til nú höfðu stjörnufræðingar ekki hugmynd um hvað gerðist í námunda við svo massamikla nifteindastjörnu eins og PSR J0348+0432. Hún býður því upp á einstakt tækifæri til að gera enn nákvæmari prófanir.
Stjörnufræðingarnir notuðu mælingar frá Very Large Telescope á hvíta dvergnum auk mjög nákvæmra tímamælinga á tifstjörnunni sem gerðar voru með útvarpssjónaukum [3]. Jafn þétt tvístirni og þetta gefur frá sér þyngdarbylgjur og glatar orku. Það veldur því að umferðartiminn breytist lítillega en spár almennu afstæðiskenningarinnar og annarra kenninga gefa ólíkar niðurstöður.
„Útvarpsmælingar okkar voru svo nákvæmar að við höfum þegar náð að mæla breytingu á umferðartímanum niður í 8 milljónustu hluta úr sekúndu á ári, nákvæmlega það sem kenning Einsteins spáir fyrir um,“ segir Paulo Freire, annar meðlimur í hópnum.
Þessar mælingar marka aðeins upphafið að nákvæmum rannsóknum á þessu einstaka fyrirbæri en stjörnufræðingar munu nota það til að prófa almennt afstæði með sífellt meiri nákvæmni eftir því sem á líður.
Skýringar
[1] Ekki hefur tekist að samræma almennu afstæðiskenninguna og hina meginkenningu eðlisfræði 20. aldar, skammtakenninguna. Hún spáir líka fyrir um sérstæður við ákveðnar aðstæður, þar sem massi getur nálgast óeindanleika, eins og í miðju svarthols.
[2] Joseph Hooton Taylor yngri og Russell Hulse fundu fyrsta tifstjörnutvístirnið, PSR B1913+16, og hlutu fyrir það Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1993. Þeir mældu nákvæmlega breytingar á eiginleikum tvístirnisins og sýndu fram á að þær voru nákvæmlega í samræmi við orkutap vegna þyngdargeislunar eins og almenna afstæðiskenningin spáir fyrir um.
[3] Í þessari rannsókn voru notuð gögn frá útvarpssjónaukum í Effelsberg, Arecibo og Green Bank sem og Very Large Telescope ESO og William Herschel sjónaukanum.
Frekari upplýsingar
Sagt frá þessari rannsókn í greininni „A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit“, eftir John Antoniadis o.fl., sem birtist í tímaritinu Science þann 26. apríl 2013.
Í rannsóknarteyminu eru John Antoniadis (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR] í Bonn í Þýskalandi), Paulo C. C. Freire (MPIfR), Norbert Wex (MPIfR), Thomas M. Tauris (Argelander Institut für Astronomie í Bonn í Þýskalandi; MPIfR), Ryan S. Lynch (McGill University í Montreal í Kanada), Marten H. van Kerkwijk (University of Toronto í Kanada), Michael Kramer (MPIfR; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester í Bretlandi), Cees Bassa (Jodrell Bank), Vik S. Dhillon (University of Sheffield í Bretlandi), Thomas Driebe (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt í Bonn í Þýskalandi), Jason W. T. Hessels (ASTRON, the Netherlands Institute for Radio Astronomy í Dwingeloo í Hollandi; University of Amsterdam í Hollandi), Victoria M. Kaspi (McGill University), Vladislav I. Kondratiev (ASTRON; Lebedev Physical Institute í Moskvu í Rússlandi), Norbert Langer (Argelander Institut für Astronomie), Thomas R. Marsh (University of Warwick í Bretlandi), Maura A. McLaughlin (West Virginia University), Timothy T. Pennucci (Department of Astronomy, University of Virginia) Scott M. Ransom (National Radio Astronomy Observatory í Charlottesville í Bandaríkjunum), Ingrid H. Stairs (University of British Columbia í Vancouver í Kanada), Joeri van Leeuwen (ASTRON; University of Amsterdam), Joris P. W. Verbiest (MPIfR), David G. Whelan (Department of Astronomy, University of Virginia).
ESO er fremsta fjölþjóðlega stjörnustöð Evrópu og lang öflugasta stjörnustöð heims. Hún nýtur stuðnings 15 landa: Austurríkis, Belgíu, Brasilíu, Tékklands, Danmörku, Finnlands, Frakklands, Þýskalands, Ítalíu, Hollands, Portúgals, Spánar, Svíþjóðar, Sviss og Bretlands. ESO heldur úti metnaðarfullum verkefnum sem miða að hönnun, smíði og starfsemi öflugra stjörnustöðva á jörðinni sem gera stjörnufræðingum kleift að gera mikilvægar uppgötvanir. ESO leikur líka lykilhlutverk í að efla og skipuleggja samstarf í stjarnvísindarannsóknum. ESO starfrækir þrjár stjörnuathugunarstöðvar í heimsflokki: La Silla, Paranal og Chajnantor. Á Paranalfjalli starfrækir ESO Very Large Telescope, fullkomnustu stjörnusjónauka heims sem notaðir eru til athugana á sýnilegu ljósi og tvo kortlagningarsjónauka. VISTA er stærsti kortlagningarsjónauki veraldar fyrir innrautt ljós og VLT Survey Telescope er stærsti sjónauki heims sem eingöngu er ætlað að kortleggja himinn í sýnilegu ljósi. ESO er þátttakandi í ALMA, byltingarkenndum útvarpssjónauka og stærsta stjarnvísindaverkefni heims. ESO hyggur einnig á smíði 39 metra risasjónauka, European Extremely Large Telescope eða E-ELT sem verður „stærsta auga jarðar“.
Tenglar
Tengiliðir
Sævar Helgi Bragason
University of Iceland
Reykjavik, Iceland
Farsími: +354-896-1984
Tölvupóstur: [email protected]
Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESO eso1319.
Tengdar myndir