Wyobraź sobie, że jesteś astronomem z ciekawymi pomysłami na temat tajemnych praw kosmosu. Jak każdy dobry naukowiec, planujesz eksperyment, aby sprawdzić swoją hipotezę. I nagle zła wiadomość: nie ma innego sposobu, aby to przetestować, poza symulacjami komputerowymi. Kosmiczne obiekty są zbyt duże i niewygodne, aby rosnąć na szalce Petriego lub zderzać się jako cząstki subatomowe.
Na szczęście w kosmosie są rzadkie miejsca, w których natura prowadzi własne eksperymenty - jak PSR J0337 + 1715. Ten potrójny system został po raz pierwszy zaobserwowany w 2012 roku, aw 2014 roku naukowcy oficjalnie ogłosili jego odkrycie. Znajduje się 4200 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Byka.
Trzy martwe rdzenie gwiazd wirują w tańcu, który może potwierdzić - lub doprowadzić do rewizji - ideę czasoprzestrzeni Einsteina. Stawka jest wysoka. W latach siedemdziesiątych XX wieku system dwóch martwych gwiazd dostarczył mocnych, aczkolwiek poszlakowych dowodów na poparcie ogólnej teorii względności Einsteina oraz że fale grawitacyjne, które ostatecznie odkrył LIGO, rzeczywiście istnieją. Za tę pracę naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla.
Aby zrozumieć PSR J0337 + 1715 jako część eksperymentu, Joshua Sokol z New Scientist proponuje przedstawienie go jako fizycznej lokalizacji. Mniej więcej w tej samej odległości od środka układu, w którym Ziemia krąży wokół Słońca, znajduje się zimny biały karzeł, pozostałość zestalonego jądra gwiazdy takiej jak nasza. Nieco dalej znajduje się kolejny gorętszy biały karzeł. Powinien „krzyczeć jasno” na niebie, mówi Scott Ransome z National Radio Astronomy Observatory w Wirginii, który nadzoruje system.
Co 1,6 dnia ten wewnętrzny biały karzeł krąży wokół towarzysza niewidzialnego gołym okiem. Ale w widzeniu rentgenowskim lub gamma dwa białe karły są stosunkowo słabe w porównaniu do ich towarzysza, kulistego obiektu o długości 24 km, którego masa jest półtorakrotnie większa od masy Słońca.
To pulsar, pozostałość po znacznie większej gwiazdy. Obraca się raz na 2,73 milisekundy, jak kosmiczny demon pyłu. Każdy obrót wypuszcza wiązkę fal radiowych w niebo, która dociera do Ziemi przy każdym obrocie - używamy jej ultraprecyzyjnych sygnałów jako zegara kosmicznego. A ponieważ ciała te mają intensywne, splątane pola grawitacyjne i mamy do nich przypisane zegary, byłoby niezwykle wygodne przetestowanie Einsteina.
Zespół Ransoma śledzi tykanie pulsara, mierzy zmiany orbit trzech ciał i porównuje wyniki z przewidywaniami teorii Einsteina. Szczególnie poważnie skupiają się na jednym pomyśle.
Przypomnij sobie apokryficzną historię Galileusza na Krzywej Wieży w Pizie, który rzucał przedmiotami na ziemię, aby pokazać, że różne masy potrzebują tyle samo czasu, aby przelecieć tę samą odległość. Astronauta David Scott przeprowadził ten sam eksperyment na Księżycu za pomocą pióra i młotka.
Film promocyjny:
Zasada tak zwanej silnej równoważności w ogólnej teorii względności kontynuuje tę ideę. Twierdzi, że nawet obiekty posiadające własne pola grawitacyjne powinny reagować na grawitację w taki sam sposób, jak inne.
Podobnie jak w przypadku piór i młotka, wewnętrzny biały karzeł i znacznie cięższy pulsar powinny zachowywać się tak samo pod wpływem siły grawitacji zewnętrznego białego karła. Jeśli nie, orbita wewnętrznej pary stanie się bardziej wydłużona niż oczekiwano - i zasada równoważności zostanie naruszona, a ogólna teoria względności jest błędna.
A potem nastąpi szok i podziw. Ale prędzej czy później można się było spodziewać takiego szoku, ponieważ ogólna teoria względności jest znana z tego, że nie chce się przyjaźnić z innymi teoriami natury.
„Każda teoria grawitacji inna niż ogólna teoria względności zasadniczo przewiduje, że silna zasada równoważności na pewnym poziomie zawiedzie” - mówi Ransome.
Na wrześniowej konferencji Pulsar w Wielkiej Brytanii zespół Ransom ma nadzieję ogłosić nowe wyniki, poczynając od pracy Anny Archibald, która przetestuje zasadę równoważności od 50 do 100 razy lepiej niż kiedykolwiek wcześniej. Jak twierdzi Ransom, jeszcze tego nie zrobili, ponieważ istnieją pewne wzorce danych, które wydają się naruszać zasadę równoważności, które należy dokładniej zbadać.
„Oczywiście będzie to potężne rozwiązanie, dlatego chcemy mieć pewność, że poprawnie zrozumieliśmy dane” - mówi Ransom. W tej chwili komputery nadal wykonują analizy.
Jakie są szanse, że kiedy praca wyjdzie, ludzie będą podekscytowani?
„Większość ludzi uważa, że silna zasada równoważności nie może zawieść na tym poziomie. To jeden z powodów, dla których nieustannie uderzamy głowami o ścianę”.
Być może PSR J0337 + 1715 to doskonały eksperyment kosmiczny: eksperyment, w którym ogólna teoria względności na pewno się zepsuje, nie na papierze, ale na pewno. Albo poczekamy trochę dłużej.
Ilya Khel