يثبت ثنائي النجم النابض الراديوي أن أينشتاين صحيح بنسبة 99.99٪ على الأقل

لقد مضى أكثر من مائة عام منذ أن صاغ أينشتاين نظريته عن النسبية العامة (GR) ، وهي النظرية الهندسية للجاذبية التي أحدثت ثورة في فهمنا للكون. ومع ذلك ، يخضع علماء الفلك لاختبارات أكثر صرامة ، على أمل العثور على انحرافات عن هذه النظرية الراسخة. السبب بسيط: أي علامة للفيزياء بخلاف GR ستفتح نوافذ جديدة في الكون وتساعد في حل بعض الألغاز الأكثر عمقًا حول الكون.

واحدة من أكثر التجارب صرامة التي أجراها مؤخرًا فريق من علماء الفلك الدوليين بقيادة مايكل كرامر في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي (MBIFR) في بون ، ألمانيا. باستخدام سبعة تلسكوبات راديو حول العالم ، لاحظ كرامر وزملاؤه نجمًا نابضًا فريدًا لمدة 16 عامًا. في هذه العملية ، لاحظوا أولاً الآثار التي تنبأت بها الموارد الوراثية ، وأ دقة 99.99٪ على الأقل!

بالإضافة إلى باحثي MPIfR ، انضم إلى كرامر ورفاقه باحثون من شركات في عشرة بلدان مختلفة – مركز Jodrell Bank للفيزياء الفلكية (المملكة المتحدة) ، ومركز ARC للتميز في اكتشاف الموجات الثقالية (أستراليا) ، الشركة المحيطة. الفيزياء النظرية (كندا) ، مرصد باريس (فرنسا) ، Osservadorio Astronomico de Cagliari (إيطاليا) ، مختبر جنوب إفريقيا للفلك الراديوي (SARAO) ، معهد الفلك الإذاعي الهولندي (ASTRON) ومختبر Arecibo.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنبعث منها حزم ضيقة وواسعة من موجات الراديو. الائتمان: مركز جودارد للطيران الفضائي التابع لناسا

النجوم النابضة الراديوية هي فئة خاصة من النجوم النيوترونية سريعة الدوران والمغناطيسية للغاية. تبعث هذه الأجسام فائقة الكثافة حزمًا راديوية قوية من أقطابها ، والتي (عند دمجها مع دورانها السريع) تخلق تأثيرًا قويًا مشابهًا للمنارة. ينجذب علماء الفلك إلى النجوم النابضة لأنها توفر معلومات حول الفيزياء التي تحكم الأجسام شديدة الصغر والمجالات المغناطيسية والمجرة (ISM) وفيزياء الكواكب وعلم الكونيات.

بالإضافة إلى ذلك ، تسمح قوى الجاذبية الشديدة لعلماء الفلك باختبار التنبؤات التي قدمتها نظريات الجاذبية مثل GR وما شابه. ديناميات نيوتن المعدلة (MOND) في ظل ظروف قاسية معينة يمكن تخيلها. من أجل أبحاثهم ، درس كرامر وفريقه PSR J0737-3039 A / B ، وهو نظام “نجمي مزدوج” يقع على بعد 2400 سنة ضوئية من الأرض. كلاب جالاكسي.

هذا النظام هو الراديو فقط بولسار تمت ملاحظة النظام الثنائي واكتشافه دائمًا في عام 2003 من قبل أعضاء فريق البحث. يتمتع النجمان النابضان اللذان يشكلان هذا النظام بدورات سريعة – 44 مرة في الثانية (A) ، مرة كل 2.8 ثانية (B) – ويدوران ضد بعضهما البعض لمدة 147 دقيقة. على الرغم من أنها أكبر بحوالي 30٪ من الشمس ، إلا أن قطرها يقارب 24 كم (15 ميلاً). ومن ثم ، فإن جاذبيتها الشديدة ومجالاتها المغناطيسية الشديدة.

بالإضافة إلى هذه الخصائص ، فإن الفترة المدارية السريعة لهذا النظام تجعله مختبرًا كاملاً لاختبار نظريات الجاذبية. كما قال البروفيسور كرامر في بيان صحفي حديث لـ MPIfR:

“لقد درسنا بنية النجوم الصغيرة في معمل لا مثيل له لاختبار نظريات الجاذبية في وجود حقول جاذبية قوية جدًا. ومن دواعي سرورنا أننا تمكنا من اختبار حجر الزاوية في نظرية أينشتاين ، الطاقة. موجات الجاذبية، مع دقة أفضل 25 مرة من Hulls-Taylor Pulsar الحائزة على جائزة نوبل ، و 1000 مرة أفضل مما هو ممكن حاليًا مع أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية.

انطباع الفنان عن مسار نجم S2 الأقرب إلى القوس A * ، والذي يسمح لعلماء الفلك باختبار التنبؤات التي قدمتها النسبية العامة في ظل ظروف قاسية. الائتمان: ESO / M. كورنشير

تم استخدام سبعة تلسكوبات راديوية في حملة المراقبة التي استمرت 16 عامًا ، بما في ذلك تلسكوب باركس راديو (أستراليا) ، تلسكوب جرين بانك (الولايات المتحدة) ، تلسكوب الراديو الرابع (فرنسا) ، تلسكوب إيفلسبيرج 100 م (ألمانيا). التلسكوب الراديوي (المملكة المتحدة) ، تلسكوب ويستربورغ التوليفي الراديوي (هولندا) وأطول خط أساسي (الولايات المتحدة).

تغطي هذه المختبرات مناطق مختلفة من الطيف الراديوي من 334 ميجاهرتز و 700 ميجاهرتز إلى 1300 – 1700 ميجاهرتز و 1484 ميجاهرتز و 2520 ميجاهرتز. وبذلك ، تمكنوا من رؤية كيف تتأثر الفوتونات القادمة من هذا النجم النابض الثنائي بسحب جاذبيته القوية. كما أوضح البروفيسور إنجريد ستارز ، الأستاذ المشارك في البحث بجامعة كولومبيا البريطانية (UPC) في فانكوفر:

“نحن نتابع تشتت الفوتونات الراديوية المنبعثة من منارة كونية ، نجم نابض ، ونراقب حركتها في مجال الجاذبية القوي لنجم نابض مساعد. لم يسبق أن أجريت مثل هذه التجربة في مثل هذا منحنى الزمكان المرتفع.

أضاف البروفيسور ديك مانشيستر ، المحرر المشارك لمنظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية في أستراليا (CSIRO) ، أن الحركة المدارية السريعة لمثل هذه المواد المدمجة سمحت باختبار تنبؤات GR السبعة المختلفة. وتشمل هذه موجات الجاذبية ، وتشتت الضوء (تأخير شابيرو وانحناء الضوء) ، وإطالة الوقت ، وتوازن الكتلة والطاقة (E = mc²) ، وما هو تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي على الحركة المدارية للنجم النابض.

روبرت سي في فيرجينيا الغربية. تلسكوب بيرت جرين بانك (GPD). الائتمان: GBO / AUI / NSF

“هذا الإشعاع يعادل خسارة كتلة 8 ملايين طن في الثانية!” هو قال. “على الرغم من أن هذا قد يبدو ساحقًا ، إلا أنه يمثل جزءًا بسيطًا من كتلة النجم النابض في الثانية – 3 أجزاء لكل ألف مليار (!).” أجرى الباحثون أيضًا قياسات دقيقة للغاية للتغيرات في اتجاه بولسار المداري ، وهو تأثير نسبي لوحظ لأول مرة في عطارد – وساعد في حل نظرية أينشتاين GR.

هنا وحده ، كان التأثير أقوى بمقدار 140 ألف مرة ، مما دفع الفريق إلى إدراك أنه يجب أيضًا مراعاة تأثير دوران بولسار على الزمكان المحيط. تأثير ترتيب العدسة ، أو “تتبع الإطار”. دكتور من MPIfR ، مؤلف رئيسي آخر للدراسة. نوربرت ويكس ، الذي سمح بتحسين آخر:

“في تجربتنا ، كان علينا النظر في البنية الداخلية للنجم النابض النجم النيوتروني. لذلك ، تسمح قياساتنا بأول استخدام للتتبع الدقيق لدورات النجوم النيوترونية ، وهو ما نسميه وقت النجم النابض لتوفير حواجز أمام استطالة النجم النيوتروني.

مثال آخر قيم من هذه التجربة هو كيفية دمج الفريق لتقنيات التتبع التكميلية للحصول على قياسات المسافة الأكثر دقة. غالبًا ما أعيقت دراسات مماثلة بسبب تقديرات المسافة التي يتم التحكم فيها بشكل سيئ في الماضي. من خلال الجمع بعناية بين تقنية توقيت بولسار وقياسات التداخل (وتأثيرات ISM) ، حقق الفريق دقة وضوح عالية تبلغ 2400 سنة ضوئية مع هامش خطأ بنسبة 8٪.

وصف الفنان لنجمين نيوترونيين متوازيين. تمثل الحزم القصيرة انفجارات أشعة جاما ، بينما تمثل شبكة الزمكان المتموجة موجات جاذبية متناحرة. الائتمان: NSF / LIGO / جامعة ولاية سونوما / أ. سيمونيت

في النهاية ، لم تتفق المجموعة مع نتائج GR فحسب ، بل تمكنوا أيضًا من رؤية التأثيرات التي لم يتم استكشافها من قبل. كشف باولو فراير ، مؤلف مشارك آخر في الدراسة (ومن MPIfR):

“نتائجنا مناسبة تمامًا للتجارب التجريبية الأخرى ، مثل اختبار الجاذبية أو اكتشاف موجات الجاذبية أو تلسكوبات حدث Horizon ، والتي لها تأثيرات أخرى. كما أنها تكمل تجارب النجوم النابضة الأخرى ، مثل تجربتنا الزمنية مع Pulsar في النظام الثلاثي النجمي ، والتي هي مستقلة عن الطبيعة العالمية للسقوط الحر (والمثيرة).) قدمت الاختبار.

واختتم البروفيسور كرامر بالقول: “لقد وصلنا إلى مستوى غير مسبوق من الدقة”. “قد تذهب التجارب المستقبلية مع التلسكوبات الأكبر إلى أبعد من ذلك. يوضح عملنا كيف يجب إجراء مثل هذه التجارب وما هي التأثيرات الدقيقة التي يجب أخذها في الاعتبار الآن.

تم نشر مقال يصف بحثهم مؤخرًا في المجلة مراجعة البدنية Xو

نشرت لأول مرة في الكون اليوم.

تعرف على المزيد حول هذا البحث:

ملاحظة: M. Kramer et al. ، 13 كانون الأول (ديسمبر) 2021 ، “اختبارات الجاذبية القوية الميدانية ذات النجم النابض المزدوج” مراجعة البدنية X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050