Η γενική σχετικότητα περνά και την δοκιμή των πάλσαρς

Από σελίδα του PhysicsWeb 11 Ιουλίου 2001

Μια βασική πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein  - η "καθυστέρηση Shapiro" - παρατηρήθηκε μετά από ιδιαίτερα ακριβείς ραδιο-μελέτες κοντινού pulsar. Η θεωρία προβλέπει ότι οι παλμοί της ακτινοβολίας που διαρρέουν πέρα στο Σύμπαν, πρέπει να εμποδίζονται από τις σχετιστικές διαστρεβλώσεις του χώρου. Ο Willem van Straten του Πανεπιστημίου Swinburne στην Αυστραλία και τους συναδέλφους του ανίχνευσε αυτήν την επίδραση χαρτογραφώντας την κίνηση pulsar στο Παρατηρητήριο Parkes (τεύχος Nature 2001 412 158).

Τα pulsars είναι ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων που κερδίζουν το όνομά τους από τι ακτίνες της ακτινοβολίας που εκπέμπουν, οι οποίες εμφανίζονται ως παλμοί σε έναν ακίνητο παρατηρητή. Δυαδικά pulsars - συστήματα στα οποία ένα pulsar βάζει ένα άλλο αντικείμενο σε τροχιά - εκπέμπουν πολύ κανονικούς παλμούς ακτινοβολίας επειδή οι τροχιακές τους και περιστροφικές περίοδοί τους είναι εξαιρετικά κανονικές. Αυτές οι ιδιότητες τα κάνουν τα άριστα εργαλεία για τα αποτελέσματα της γενικής σχετικότητας.

Σε 450 έτη φωτός από τη Γη, το αντικείμενο PSR J0437-4715 είναι ο πιό κοντά γνωστός δυαδικός pulsar, στο οποίο ένας pulsar βάζει σε τροχιά έναν λευκό νάνο. Η εγγύτητά του επιτρέπει στους αστρονόμους να μετρήσουν την ραδιο παραγωγή του από διαφορετικές γωνίες, λόγω της κίνησής του αντικειμένου σχετικά με τη Γη. Χρησιμοποιώντας αυτήν την γεωμετρική μέθοδο, ο van Straten και οι συνάδελφοι του υπολόγισαν την τροχιά του pulsar στις τρεις διαστάσεις. Αυτό αποκάλυψε επίσης το κέντρο της μάζας του συστήματος, από το οποίο η ομάδα υπολόγισε τις μάζες του pulsar και του λευκού νάνου.

Έπειτα, ο van Straten και οι συνάδελφοι του μελέτησαν τις παραλλαγές στο υπόδειγμα των ραδιο παλμών που φθάνουν στη Γη. Εάν οι παλμοί που εκπέμπονται καθ' όλη τη διάρκεια της τροχιακής περιόδου του pulsar ταξίδεψαν μέσω  ισοδύναμων περιοχών του διαστήματος, στο ταξίδι τους προς την Γη, πρέπει όλοι οι παλμοί να φθάνουν σε ίσα χρονικά διαστήματα.

Αλλά μετά από αφαίρεση γεωμετρικών φαινομένων, ο van Straten και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι οι παλμοί ήθελαν περισσότερο χρόνο για να φθάσουν όταν το επίπεδο του δυαδικού συστήματος, ήταν  στην ίδια ευθεία με αυτήν της παρατηρήσης τους. Αντιθέτως, όταν εξετάζονταν με το επίπεδο "κατά πρόσωπο", οι παλμοί δεν καθυστέρησαν. Αυτό το φαινόμενο προκύπτει επειδή όταν το επίπεδο του συστήματος είναι σε κατάλληλη θέση, το σήμα από τα pulsar περνάει μέσω μιας περιοχής του διαστήματος που διαστρεβλώνεται από τη βαρύτητα του λευκού νάνου. Αυτή η διαστρέβλωση σημαίνει ότι το σήμα θέλει  μακρύτερη διαδρομή για να φτάσει στη Γη, και επομένως φθάνει αργότερα. Αυτό είναι το φαινόμενο της καθυστέρησης Shapiro.

Η γενική σχετικότητα επίσης υποστηρίζει ότι τα δυαδικά συστήματα πρέπει βαθμιαία να επιβραδύνονται, και να εκπέμπουν την   περίσσεια της περιστροφικής ενέργειας ως κύματα βαρύτητας. Αυτή η προβλεφθείσα αύξηση στην περίοδο της τροχιακής κίνησης έχει παρατηρηθεί σε προηγούμενα πειράματα, αλλά η προσπαθεί να ανιχνευτούν τα  κύματα βαρύτητας έχουν αποτύχει μέχρι τώρα. Το μέγεθος της παρατηρηθείσας καθυστέρησης Shapiro ήταν σύμφωνο με το ποσό ενέργειας που το δυαδικό σύστημα πρέπει να χάνει μέσω των  κυμάτων βαρύτητας.

"Απο ό,τι ξέρουμε, αυτή η επαλήθευση της προβλεφθείσας χωρο-χρονικής διαστρέβλωσης είναι η πρώτη επιβεβαίωση - έξω από το ηλιακό σύστημα - στο οποίο η τροχιακή κλίση καθορίστηκε ανεξάρτητα από τη γενική σχετικότητα", λένε οι συντάκτες.

Η μελέτη επίσης δείχνει ότι το pulsar PSR J0437-4715 έχει την ακριβέστερη γνωστή θέση από οποιοδήποτε άλλο αστρονομικό αντικείμενο. Τώρα που αυτό το σύστημα είναι γνωστό ότι βοηθάει να εκτεθεί η καθυστέρηση Shapiro, είναι πιθανό να αποτελέσει το αντικείμενο πολλών περισσότερων κοσμολογικών μελετών.

Γενική θεωρία σχετικότητας

Σύμφωνα με τη γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που διατύπωσε τη δεκαετία του 1910 ο Albert Einstein, η βαρύτητα ενός περιστρεφόμενου σώματος ασκεί μια ασθενή έλξη στον περιβάλλοντα χώρο διαμορφώνοντάς τον βαθμιαία σε κυκλικούς δακτυλίους. Ολες οι μορφές ύλης που βρίσκονται σ' αυτόν το χώρο υποχρώνονται να διαταχθούν ανάλογα, σε κύκλους, παρότι υπό συνήθεις συνθήκες η βαρύτητα έλκει όλα τα σώματα μεταξύ τους και δεν τα σπρώχνει προς παράπλευρες κατευθύνσεις.

Το 1915, ο Einstein πρότεινε δηλαδή ότι η βαρύτητα διαστρεβλώνει αληθινά το 'ύφασμα' του διαστήματος. Οι υπολογισμοί του εξήγησαν τέλεια ορισμένες αστρονομικές παρατηρήσεις τις οποίες η νευτώνεια φυσική δεν θα μπορούσε να εξηγήσει - όπως η προφανώς υπερβάλλουσα μετάπτωση της τροχιάς του Ερμή. Η γενική σχετικότητα είναι στην καρδιά όλων στην κοσμολογία, όπως έλεγε ένας παλιός αστρονόμος.

Άλλες δοκιμές για την ακρίβεια και την ορθότητα της Γενικής Σχετικότητας έχουν περιλάβει τις μετρήσεις της ερυθρής μετατόπισης του φωτός, την εκτροπή του φωτός από τα αστέρια και τους γαλαξίες, και τις δοκιμές του νόμου για το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης της βαρύτητας. Οι τεχνολογικές πρόοδοι - όπως οι βελτιώσεις στην ακρίβεια των ατομικών ρολογιών - έχουν βελτιώσει την κατανόηση μας για την γενική σχετικότητα στις πρόσφατες δεκαετίες.

Πεδίο βαρύτητας

Οι αστέρες νετρονίων αποτελούν κάτι σαν «αστρικά πτώματα»: Είναι αυτό που απομένει όταν ένα άστρο αρκετά μεγάλης μάζας καταρρέει με μια μεγάλη έκρηξη, αφήνοντας πίσω του ένα απίθανα πυκνό υπόλειμμα - τόσο πυκνό όσο ο πυρήνας ενός ατόμου. Ενας τυπικός αστέρας νετρονίων έχει διάμετρο μόλις 20 χιλιομέτρων, αλλά ζυγίζει περισσότερο από τον Ηλιο. (Αν το αρχικό αστέρι είναι ακόμη μεγαλύτερο, μπορεί να εξελιχθεί, μετά τον «θάνατό του», όχι σε αστέρα νετρονίων αλλά σε «μαύρη τρύπα»- ένα ακόμη πιο εξωτικό ουράνιο σώμα, όπου η κατάρρευση συνεχίζεται ακόμη περισσότερο, με αποτέλεσμα η τρομακτικά υψηλή πυκνότητα της μαύρης τρύπας να δημιουργήσει ένα ισχυρότατο πεδίο βαρύτητας που αιχμαλωτίζει τα πάντα γύρω του, ακόμα και το ίδιο το φως).

Οι ειδικοί πιστεύουν ότι κάθε αστέρας νετρονίων περιστρέφεται σε μικρή απόσταση γύρω από έναν άλλο, συνηθισμένο αστέρα. Το ισχυρό πεδίο βαρύτητας του αστέρα νετρονίων έλκει τα αέρια που σχηματίζουν την εξωτερική επιφάνεια του γείτονά του. Καθώς περιστρέφονται, επιταχύνονται και θερμαίνονται, τα αέρια εκπέμπουν ακτίνες Χ με ένα χαρακτηριστικό ρυθμό, ο οποίος «προδίδει» την παραμόρφωση του περιβάλλοντος χώρου.

Η κοινή λογική αντιλαμβάνεται την παραμόρφωση ενός υλικού σώματος ή έστω μιας ακτίνας φωτός που διαθλάται. Αλλά πώς μπορούμε να συλλάβουμε την ιδέα της παραμόρφωσης του ίδιου του κενού χώρου; Σύμφωνα με τη γενικη Θεωρία της Σχετικότητας, που διατύπωσε ο Αϊνστάιν, η βαρύτητα και ο χώρος (καλύτερα να πούμε ο χωροχρόνος) δεν είναι δύο έννοιες ολότελα ανεξάρτητες, αλλά βρίσκονται σε στενή διαπλοκή: Η βαρύτητα που δημιουργεί ένα υλικό σώμα καμπυλώνει τον περιβάλλοντα χώρο, λες και επρόκειτο για ένα πλαστικό σώμα και όχι για το απόλυτο κενό.