V krátkosti:

Obecná teorie relativity Alberta Einsteina tvoří základ našeho fyzického náhledu na svět. Víc jak 100 let se snaží fyzikové na celém světě tyto geniální teorie testovat (a případně najít nějaký nesouhlas). Nyní prošly předpovědi slavného fyzika jedním z jejich nejkomplexnějších testů. Systém dvou obíhajících pulsarů umožnil astronomům ověřit sedm klíčových tvrzení obecné teorie relativity. Za tímto účelem výzkumníci pozorovali unikátní systém po dobu 16 let sedmi radioteleskopy rozmístěnými po celém světě. Výsledek: Einsteinovy  teorie se opět potvrdily ve všech aspektech.

Dvojitý pulsar jako testovací pole pro Einsteinovy  teorie. (Obrázek: Michael Kramer / MPI pro radioastronomii)

A nyní celý článek:

Bylo to před více než 100 lety, kdy Albert Einstein převrátil svou obecnou teorií relativity některé základní fyzikální předpoklady a zavedl zcela nový koncept gravitace s časoprostorem. Od té doby tvoří jeho zákony základ fyzického vidění světa. Mimo jiné vysvětlují, proč se světlo v blízkosti velkých hmot vychyluje a natahuje, proč vlivem gravitace běží čas pomaleji a že se hmota může přeměňovat na energii. Ve vesmíru však existují některé jevy, které nelze vysvětlit pouze Einsteinovými teoriemi. Z tohoto důvodu se mimo jiné vědci snaží najít možné limity obecné teorie relativity. Pozorování odchylky od předpovědí této teorie by bylo důležitým objevem. To by otevřelo dveře do nové fyziky. Doposud však teorie relativity obstála ve všech testech a ověřováních.

Sedm základních předpokladů podrobených testu

Astronomové spolupracující s Michaelem Kramerem z Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii zveřejnili nyní výsledky jednoho z dosud nejkomplexnějších testů. Za tímto účelem tým pozoroval unikátní systém dvou blízko obíhajících rádiových pulsarů se sedmi propojenými radioteleskopy na celém světě po dobu 16 let. Neutronové hvězdy vyzařují silné rádiové vlny a jsou hmotnější než Slunce, ale mají velikost jen kolem 24 kilometrů. Krouží kolem sebe rychlostí kolem milionu kilometrů za hodinu a otáčejí se kolem sebe. Dvojitý pulsar PSR J0737-3039 A/B spojuje na malém prostoru obrovské hmoty a navíc přináší do hry pohyb. "Tak rychlý orbitální pohyb tak kompaktních objektů nám umožňuje testovat řadu předpovědí obecné teorie relativity - je jich celkem sedm", vyvětluje spoluautor Dick Manchester z australské organizace pro výzkumu CSIRO.

Prvním základním předpokladem kontrolovaným na dvojitém pulsaru je ztráta energie, kterou systém utrpí vyzařováním gravitačních vln. To vede k tomu, že oběžné dráhy dvou neutronových hvězd se časem zužují, což zase zkracuje jejich oběžné doby. Astronomové byli schopni toto zkrácení pozorovat na základě pulzního rádiového záření ze dvou pulsarů. "K našemu potěšení jsme byli schopni otestovat tento základní kámen Einsteinovy teorie s přesností, která je 25krát lepší než u pulsaru Hulse-Taylor, oceněným Nobelovou cenou, a 1000krát lepší, než je v současnosti možné testovat s detektory gravitačních vln na Zemi," hlásí Kramer.

Gravitační vliv na světlo, čas a oběžné dráhy

Pravidelné pulsy dvou zbytků hvězd také umožnily detekovat gravitační precesi drah pulsaru (precese je fyzikální jev, při němž se působením vnější dvojice sil mění orientace osy setrvačníku v prostoru. ) s přesností od jedné až po milion. Tento relativistický efekt je znám také z oběžné dráhy Merkuru. V případě planety zajišťuje, že se body oběžné dráhy nejblíže a nejdále od Slunce v průběhu času posouvají jako růžice. Výzkumnému týmu se také podařilo potvrdit „prodloužení“ času (expanzi času) způsobenou gravitací, což je další základní předpoklad teorie relativity.

Bylo také potvrzeno několik účinků gravitace na světlo: Rádiové vlny vysílané pulsary vykazovaly očekávaný rudý posuv a tedy rozpínání v důsledku obrovské gravitační síly pulsarů. Tým byl také schopen demonstrovat to, co je známé jako zpoždění Shapiro - dodatečný čas, který rádiové vlny potřebují, aby se dostaly z hlubokého časoprostorového propadu. Astronomové také poprvé prokázali zcela nový efekt předpovídaný teorií relativity: „Poprvé vidíme, že světlo není pouze zpožděno kvůli silnému zakřivení časoprostoru kolem společníka, ale že světlo je také zpožděno o malý úhel 0,04 stupně,“ vysvětluje spoluautorka Ingrid Stairs z University of British Columbia ve Vancouveru. Nikdy předtím nebyl takový experiment při takovém silném zakřivení časoprostoru proveden.

Rotace pulsarů - jeden se otočí přibližně 44krát za sekundu, druhý jednou za 2,8 sekundy - umožnily další testy. Tímto způsobem bylo možné určit, kolik hmoty rychle rotující neutronová hvězda ztrácí kvůli svému intenzivnímu elektromagnetickému záření: „Toto záření odpovídá ztrátě hmoty 8 milionů tun za sekundu,“ uvádí Manchester. "Může se to zdát hodně, ale je to jen nepatrný zlomek celkové hmotnosti pulsaru." Dalším efektem, který Einstein předpověděl, je účinek rotace pulsaru na okolní časoprostor: je mírně vlečen spolu s ním. „Fyzici to označují jako Lense Thirring Effect nebo Frame Dragging (rotující hmota s sebou stahuje prostor kolem sebe jako viskózní kapalinu )“ vysvětluje Kramerův kolega Norbert Wex. Měření tohoto efektu poskytuje cenné informace o velikosti a složení neutronové hvězdy.

Prošel všemi testy ... :-)

Celkově tato měření představují obzvláště přesný a komplexní test obecné teorie relativity v kosmických podmínkách. "Dosáhli jsme úrovně přesnosti, která je bezprecedentní," říká Kramer. Jeho kolega Paulo Freire vysvětluje: „Naše výsledky jsou dobrým doplňkem k dalším experimentálním studiím, které testují gravitaci za různých podmínek nebo pozorují různé efekty, jako jsou detektory gravitačních vln nebo dalekohled Horizontu událostí.“ Tímto se opět potvrdily zákonitosti formulované před více jak sto lety Albertem Einsteinem.

Fyzici však budou i nadále hledat mezery a odchylky, protože v kosmu existují některé jevy, které nemůže vysvětlit jen Einsteinova teorie. Patří mezi ně temná energie a zrychlené rozpínání vesmíru. "Budoucí experimenty s ještě většími dalekohledy mohou a půjdou ještě dále," říká Kramer. „Naše práce ukázala, jak přesně se takové experimenty musí provádět a jaké jemné efekty je třeba vzít v úvahu. A možná jednoho dne skutečně najdeme odchylku od obecné teorie relativity...“

14. prosince 2021

© wissenschaft.de - Nadja Podbregar

https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/einsteins-relativitaetstheorie-besteht-pulsartest/