Met behulp van uiterst nauwkeurige metingen van een pulsar die rond de baan van de witte dwerg draait, ontdekten astronomen dat de zwaartekrachtsconstante, die de zwaartekracht bepaalt, "bemoedigend constant" is in het hele universum.
Men gelooft al lang dat de zwaartekrachtsconstante (of eenvoudigweg "G") dezelfde is in het hele universum, net zoals de snelheid van het licht in een vacuüm en de constante van Planck bekende universele constanten zijn. Maar hoe kunnen we hier zeker van zijn?
In het verleden weerspiegelden wetenschappers de lasers van de maan om de afstand tot de aarde te bepalen, en naderden ze de exacte meting van G. En nu onderzochten wetenschappers, gebruikmakend van de Green Bank-radiotelescoop in West Virginia en het Arecibo-observatorium in Puerto Rico, het zonnestelsel in detail en vaste stabiele flitsen van straling geproduceerd door een roterende neutronenster of pulsar, die duizenden lichtjaren ver weg zijn.
Pulsars zijn een kosmische klok van ons universum. Het zijn de oude overblijfselen van grote sterren die uitvlogen, een supernova-explosie hebben overleefd en die nu bestaan uit zeer dichte, vernederende materie met een diameter van minder dan 32 km. Pulsars hebben ook krachtige magnetische velden die extreem gecollimeerde stralen van radiostraling kunnen genereren. Telkens wanneer de pulsar draait, kunnen de polaire stralen naar de aarde worden gestuurd en worden vastgelegd in de vorm van pulsaties: net zoals een flits van een baken op een afstand flitst. Voor tijdmeting is deze rimpel absoluut een referentie. Astronomen observeren deze objecten als de meest accurate tijdwaarnemers in het universum en concurreren met de meest geavanceerde atoomklokken die we op aarde hebben.
Nu, door een van de speciale pulsars genaamd PSR J1713 + 0747 te bestuderen, maakten astronomen de meest nauwkeurige metingen van G buiten het zonnestelsel.
"De bovennatuurlijke constantheid van deze stellaire overblijfselen gaf intrigerende aanwijzingen dat de fundamentele kracht van de zwaartekracht, de" grote G van de fysica ", onveranderd blijft in de ruimte, zegt astronoom Weiwei Zhu, een voormalig medewerker van de Universiteit van British Columbia in Canada, in een persbericht van NRAO. "Deze observatie heeft belangrijke implicaties voor de kosmologie en enkele fundamentele krachten van de fysica."
Zhu is de hoofdauteur van een nieuwe studie gepubliceerd in het Astrophysical Journal.
PSR J1713 + 0747 is het ideale laboratorium om enkele van de meest fundamentele waarden van ruimte, tijd en relativiteit te bestuderen. Ten eerste heeft het een unieke brede baan rond een witte dwerg. Pulsar duurt 68 dagen om een volledige cirkel te voltooien. Het is ook ongelooflijk helder - een van de helderste bekende pulsars. Als een dubbele ster verliest het systeem een zeer kleine hoeveelheid energie door gravitatiegolven - verschijnselen voorspeld door Einstein's algemene relativiteitstheorie.
Hun brede en stabiele baan betekent dat dit verlies aan energie, omdat het extreem klein is, weinig effect heeft op de baan van de pulsar, waardoor het een belangrijk doelwit is voor elke waarneming van de zwaartekracht. (Met een meer compacte baan zou meer energie worden uitgegeven om door zwaartekrachtsgolven van het systeem te worden gescheiden, fouten zouden worden gecreëerd in metingen van de karakteristieken van de pulserende baan.) Zo kunnen we nu het gravitatiekarakter van dit sterrenstelsel nauwkeurig meten. Waarom is dit belangrijk?
Het dubbele sterrensysteem van de pulsar en de witte dwerg bevindt zich op een afstand van 3750 lichtjaren van de aarde, en de G-waarde verkregen na 21 jaar radiowaarnemingen komt bijna volledig overeen met de meest nauwkeurige metingen van G verkregen uit ons zonnestelsel. Het lijkt dus (althans in deze test) dat G constant is in het hele bekende universum.
"Zwaartekracht is de kracht die sterren, planeten en melkwegstelsels samenbindt", zei astronoom en co-auteur Scott Rhans van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Hoewel het op aarde permanent lijkt te zijn, zijn er enkele theorieën in de kosmologie, waarin wordt aangenomen dat de zwaartekracht in een andere tijd of in andere delen van het universum kan veranderen."
"Deze resultaten, nieuw en oud, stellen ons in staat om met vertrouwen de waarschijnlijkheid van het bestaan van" speciale "tijden of plaatsen met verschillend zwaartekrachtgedrag uit te sluiten", zei astronoom en co-auteur Ingrid Stairs, ook van de Universiteit van British Columbia in Canada. "Theorieën van zwaartekracht, die verschillen van de algemene relativiteitstheorie, maken vaak dergelijke voorspellingen en we hebben nieuwe raamwerken op de parameters gezet die deze theorieën beschrijven."
"De zwaartekrachtsconstante is een fundamentele constante van de natuurkunde, dus het is belangrijk om deze algemene aanname te controleren met behulp van objecten op verschillende plaatsen, tijden en omstandigheden", voegde Zhu eraan toe. "Het feit dat we zien dat zwaartekracht zich op dezelfde manier gedraagt, zowel in ons zonnestelsel als in systemen van verre sterren, bevestigt dat de zwaartekrachtsconstante in feite universeel is." Interessant is dat we in de nabije toekomst een ander "laboratorium van de relativiteitstheorie" zullen ontvangen, wanneer het wereldwijde programma Event Horizon Telescope (EHT) begint met het ontvangen van zeer nauwkeurige gegevens, mogelijk tegen het einde van dit jaar.
EHT is een globale interferometer van een gedistribueerde radioantenne die gegevens opneemt van een superzwaar zwart gat in het centrum van onze melkweg, bekend als Boogschutter A * (of Sgr A *). Astronomen bereiden zich voor de eerste keer voor om te kijken naar het sterke zwaartekrachtlaboratorium, dat de meest extreme zwaartekrachtsomgeving onthult die tot nu toe bekend is, en potentieel - het openen van fysica voorbij de algemene relativiteitstheorie.
Het is interessant om te zien of de waarde van G constant blijft, zelfs aan de rand van Event Horizon ...
