Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Νέα στοιχεία για την συστροφή του χωροχρόνου κατά την κίνηση δύο άστρων

Written by Δ.Μ.

Μια διεθνής ομάδα αστροφυσικών με επικεφαλής τον Αυστραλό Καθηγητή Matthew Bailes έδειξε συναρπαστικά νέα στοιχεία για την «συστροφή του πλαισίου αναφοράς» – δηλαδή πώς η περιστροφή ενός ουράνιου σώματος συστρέφει (παρασέρνει) τον χώρο και τον χρόνο γύρω του – μετά την παρακολούθηση της τροχιάς ενός εξωτικού αστρικού ζεύγους για σχεδόν δύο δεκαετίες. Τα δεδομένα, τα οποία αποτελούν περαιτέρω στοιχεία για τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, δημοσιεύονται στο περιοδικό Science .

Share

Μια διεθνής ομάδα αστροφυσικών με επικεφαλής τον Αυστραλό Καθηγητή Matthew Bailes έδειξε συναρπαστικά νέα στοιχεία για την «συστροφή του πλαισίου αναφοράς» – δηλαδή πώς η περιστροφή ενός ουράνιου σώματος συστρέφει (παρασέρνει) τον χώρο και τον χρόνο γύρω του – μετά την παρακολούθηση της τροχιάς ενός εξωτικού αστρικού ζεύγους για σχεδόν δύο δεκαετίες. Τα δεδομένα, τα οποία αποτελούν περαιτέρω στοιχεία για τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, δημοσιεύονται στο περιοδικό Science .

dragging of space-time

Καλλιτεχνική απεικόνιση  της «συστροφής του πλαισίου αναφοράς»: δύο περιστρεφόμενα άστρα που συστρέφουν τον χωρόχρονο γύρω τους

Πάνω από έναν αιώνα πριν, ο Albert Einstein δημοσίευσε την θεωρία της Γενικής Σχετικότητας – ότι η δύναμη της βαρύτητας προκύπτει από την καμπυλότητα του χώρου και του χρόνου και ότι αντικείμενα, όπως ο Ήλιος και η Γη, αλλάζουν αυτή τη γεωμετρία. Οι πρόοδοι στην τεχνολογία έχουν οδηγήσει σε μια πλημμύρα πρόσφατης (βραβευμένης και με Νόμπελ) επιστήμης από φαινόμενα που βρίσκονται πολύ μακριά μας και που συνδέονται με τη Γενική Σχετικότητα. Η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκε το 2016. Επίσης, η πρώτη εικόνα της σκιάς μιας μαύρης τρύπας όπως και τα αστέρια γύρω από την υπερβαρέα μαύρη τρύπα στο κέντρο του ίδιου του Γαλαξία μας δημοσιεύθηκαν μόλις πέρυσι.

Σχεδόν 20 χρόνια πριν, μια ομάδα με επικεφαλής τον Καθηγητή Baile του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Swinburne, ξεκίνησε να παρατηρεί δύο άστρα που περιστρέφονταν το ένα γύρω από το άλλο με εκπληκτική ταχύτητα, με το ραδιο-τηλεσκόπιο των 64 μέτρων CSIRO Parkes. Το ένα είναι ένας λευκός νάνος, στο μέγεθος της γης, αλλά 300.000 φορές της πυκνότητας του. Το άλλο είναι ένα αστέρι νετρονίων το οποίο, αν και έχει διάμετρο μόνο 20 χιλιομέτρων, έχει περίπου 100 δισεκατομμύρια φορές πυκνότητα μεγαλύτερη από την πυκνότητα της Γης. Το σύστημα, το οποίο ανακαλύφθηκε στο Παρκς, είναι ένα σύστημα που παρουσιάζει έντονο ενδιαφέρον από σχετικιστικής άποψης, με το όνομα “PSR J1141-6545”.

Πριν το άστρο εκραγεί και γίνει αστέρας νετρονίων, πριν από ένα εκατομμύριο περίπου χρόνια, άρχισε να διογκώνεται, αποβάλλοντας τον εξώτερο πυρήνα του, που έπεσε στον κοντινό λευκό νάνο. Αυτό το υλικό έκανε τον λευκό νάνο να περιστρέφεται όλο και ταχύτερα, μέχρι που η ημέρα του έφτασε να μετράται σε λεπτά.

Το 1918 (τρία χρόνια αφότου ο Αϊνστάιν δημοσίευσε την θεωρία του), οι Αυστριακοί μαθηματικοί Josef Lense και Hans Thirring συνειδητοποίησαν πως, αν ο Αϊνστάιν είχε δίκιο, όλα τα περιστρεφόμενα αντικείμενα θα έπρεπε να «παρασέρνουν» τον ίδιο τον χωροχρόνο γύρω μαζί τους. Σε επίπεδο καθημερινότητας, όπως της Γης, αυτό το φαινόμενο είναι μικροσκοπικό και δεν εντοπίζεται. Νωρίτερα μέσα στον αιώνα τα πρώτα πειραματικά δεδομένα από αυτό το φαινόμενο προέκυψαν χάρη σε γυροσκόπια (όπως το Gravity Probe B) σε τροχιά γύρω από τη Γη, των οποίων ο προσανατολισμός μπορούσε να συστραφεί προς την κατεύθυνση της γήινης περιστροφής. Ένας ταχύτατα περιστρεφόμενος λευκός νάνος, όπως αυτός στο συγκεκριμένο σύστημα  PSR J1141-6545, παρασύρει τον χωροχρόνο ασύλληπτα ισχυρότερα ή 100 εκατομμύρια φορές  περισσότερο από τη Γη.

Ένας πάλσαρ σε τροχιά γύρω από έναν τέτοιο λευκό νάνο παρουσιάζει μια μοναδική ευκαιρία να εξερευνήσει τη θεωρία του Αϊνστάιν σε ένα νέο εξαιρετικά σχετικιστικό καθεστώς.

rapidly spinning neutron star and a white dwarf dragging the fabric of space time around its orbit

Καλλιτεχνική απεικόνιση ενός άστρου νετρονίων που περιστρέφεται ταχύτατα και ενός λευκού νάνου που σύρει το ιστό του χωροχρόνου γύρω από την τροχιά του.

Ο επικεφαλής συγγραφέας της παρούσας μελέτης, Δρ. Vivek Venkatraman Krishnan (από το Ινστιτούτο Αστρονομίας του Max Planck-MPIfR), ανέλαβε το αδιαμφισβήτητο καθήκον να αποκρυπτογραφήσει  όλα τα ανταγωνιστικά σχετικιστικά αποτελέσματα στο πλαίσιο του διδακτορικού του προγράμματος, στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne. Παρατήρησε ότι αν δεν έβαζε στο παιχνίδι μια σταδιακή αλλαγή στον προσανατολισμό του επιπέδου της τροχιάς, η Γενική Σχετικότητα δεν είχε νόημα.

Ο Δρ Paulo Friere του MPIfR συνειδητοποίησε ότι η συστροφή ολόκληρης της τροχιάς θα μπορούσε να εξηγήσει την κλίση της τροχιάς, ενώ η ομάδα του Matthew Bailes παρουσιάζει συναρπαστικά αποδεικτικά στοιχεία για να το υποστηρίξει στο άρθρο του περιοδικού Science – δείχνοντας έτσι ότι η Γενική Σχετικότητα είναι ζωντανή και σωστή, παρουσιάζοντας μία ακόμη από τις πολλές της προβλέψεις.

Το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα ευχάριστο για τα μέλη της ομάδας Bailes που με το Parkes 64m από τις αρχές της δεκαετίας του 2000 χαρτογραφούσαν  υπομονετικά την τροχιά των 2 άστρων με απώτερο στόχο τη μελέτη του σύμπαντος του Αϊνστάιν. “Αυτό καθιστά όλες τις νύχτες και τα πρωινά που δουλεύαμε ότι άξιζαν τον κόπο,” είπε ο Bhat.

Σχολιασμός εμπειρογνωμόνων:

Ο κύριος συγγραφέας Vivek Venkatraman Krishnan, Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας του Max Planck (MPIfR) λέει: «Αρχικά, το αστρικό ζευγάρι φαινόταν να εμφανίζει πολλά από τα κλασικά αποτελέσματα που προέβλεπε η θεωρία του Αϊνστάιν και στη συνέχεια παρατηρήσαμε μια σταδιακή αλλαγή στον προσανατολισμό του επιπέδου της τροχιάς τους.”

“Τα πάλσαρ είναι κοσμικά ρολόγια και η υψηλή σταθερότητα περιστροφής τους σημαίνει ότι οποιαδήποτε απόκλιση από τον αναμενόμενο χρόνο άφιξης των παλμών τους πιθανότατα οφείλεται στην κίνηση του πάλσαρ ή στα ηλεκτρόνια και τα μαγνητικά πεδία που συναντούν οι παλμοί. Χρησιμοποιήστε τα ατομικά ρολόγια στα ραδιοτηλεσκόπια για να υπολογίσετε τον χρόνο άφιξης των παλμών από το πάλσαρ με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Η κίνηση του πάλσαρ στην τροχιά του διαμορφώνει και τον χρόνο άφιξης, επιτρέποντας έτσι τη μέτρησή του.

Ο Δρ. Paulo Freire αναφέρει: “Θεωρήσαμε ότι αυτό μπορεί να οφείλεται, τουλάχιστον εν μέρει, στη λεγόμενη “συστροφή του πλαισίου αναφοράς “που όλα όσα συμβαίνουν υπόκεινται στην παρουσία ενός περιστρεφόμενου σώματος όπως προέβλεπαν οι αυστριακοί μαθηματικοί Lense και Thirring το 1918. ”

Ο καθηγητής Thomas Tauris, Πανεπιστήμιο Aarhus: «Σε ένα αστρικό ζευγάρι, το πρώτο αστέρι που καταρρέει συχνά περιστρέφεται γρήγορα λόγω της μεταγενέστερης μεταφοράς μάζας από τον συνοδό του αστέρα.»  Οι προσομοιώσεις του Tauris βοήθησαν στην ποσοτικοποίηση του μεγέθους του σπιν του λευκού νάνου. Σε αυτό το σύστημα όλη η τροχιά παρασύρεται γύρω από το σπιν του λευκού νάνου, το οποίο δεν έχει ευθυγραμμιστεί με την τροχιά. ”

Ο Dr. Norbert Wex, Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας του Max Planck (MPIfR), δήλωσε: “Μία από τις πρώτες πειραματικές επιβεβαιώσεις της συστροφής του πλαισίου αναφοράς χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα γυροσκόπια πάνω σε δορυφόρους, σε τροχιά γύρω από τη Γη, αλλά στο σύστημά μας τα αποτελέσματα είναι 100 εκατομμύρια φορές ισχυρότερα.

Willem van Straten (AUT): “Αφού αποκλείσαμε μια σειρά πιθανών πειραματικών σφαλμάτων, αρχίσαμε να υποψιαζόμαστε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ του λευκού νάνου και του άστρου νετρονίου δεν ήταν τόσο απλή όσο είχε υποτεθεί μέχρι σήμερα.”


Τα γυροσκόπια του δορυφόρου Gravity Probe B (από την δεκαετία του 2000) έχουν ελέγξει δύο φαινόμενα που προβλέφτηκαν από τη θεωρία του Αϊνστάιν. Αν υπήρχε κάποια απόκλιση από τους νόμους της Γενικής Σχετικότητας το γεγονός αυτό θα είχε εκτεταμένες επιπτώσεις στην κατανόηση που έχουμε για τη δομή του Σύμπαντος.

Το πρώτο πείραμα ήταν και το πιο δύσκολο ενώ το δεύτερο (το γεωδαιτικό φαινόμενο) ήταν σχετικά το πιο εύκολο.

1. Η συστροφή του πλαισίου αναφοράς του χωρόχρονου λόγω περιστροφής της Γης –  Ένα περιστρεφόμενο ογκώδες σώμα (σαν τη Γη) συστρέφει  το χώρο και το χρόνο γύρω του.   Ένα γυροσκόπιο που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη δέχεται μια εξαιρετικά μικρή δύναμη, ακριβώς λόγω αυτού της συστροφής, που τείνει να του προκαλέσει μια κλίση από το επίπεδο της τροχιάς του, εξαιτίας του γεγονότος ότι η Γη παρασύρει μαζί της τον χωροχρόνο. Η δύναμη αυτή ονομάζεται βαρυτομαγνητική (gravitomagnetism) και ήταν το πρώτο πείραμα, που έγινε στο σκάφος GP-B. Ήταν ικανό να αισθανθεί αυτή την επίδραση της συστροφής του χωρόχρονου με μια ακρίβεια 1%.   Η Γενική Σχετικότητα προβλέπει ότι η συστροφή του χωροχρόνου γύρω από τη Γη είναι 0.039 δευτερόλεπτα ή 0.000011 μοίρες.

2. Γεωδαιτικό φαινόμενο – Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ο χώρος και ο χρόνος όταν βρίσκονται κοντά σε ένα ογκώδες σώμα είναι στρεβλωμένοι. Σε ένα γυροσκόπιο, που βρίσκεται σε τροχιά κοντά στη Γη, αυτή η στρέβλωση (λόγω της μάζας της Γης) το οδηγεί σε μια κλίση του άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου στο επίπεδο της τροχιάς. Αυτό το φαινόμενο προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας να είναι 150 φορές μεγαλύτερη από την συστροφή του πλαισίουν αναφοράς. Το γεωδαιτικό φαινόμενο μετρήθηκε για πρώτη φορά το 1988 και προβλέπει ότι η γήινη μάζα αφήνει ένα κοίλωμα στον χωροχρόνο, που θα πρέπει να προκαλεί μια κλίση σε κάθε γυροσκόπιο κατά 0.0018 μοίρες, ή 6.606 δευτερόλεπτα, κατά τη διάρκεια ενός έτους. Το διαστημικό σκάφος GP-B μέτρησε αυτήν την επίδραση με ακρίβεια 1 προς 10.000.


Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share