أجرى الباحثون تجربة لمدة 16 عامًا لتحدي نظرية النسبية العامة لأينشتاين. نظر الفريق الدولي إلى النجوم – زوج من النجوم المتطرفة تسمى النجوم النابضة على وجه الدقة – من خلال سبعة تلسكوبات راديوية حول العالم. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي
لقد مرت أكثر من مائة عام منذ أن قام أينشتاين بإضفاء الطابع الرسمي على نظريته في النسبية العامة (GR) ، وهي النظرية الهندسية للجاذبية التي أحدثت ثورة في فهمنا للكون. ومع ذلك ، لا يزال علماء الفلك يخضعون لاختبارات صارمة ، على أمل العثور على انحرافات عن هذه النظرية الراسخة. السبب بسيط: أي تلميح للفيزياء يتجاوز GR من شأنه أن يفتح نوافذ جديدة في الكون ويساعد في حل بعض أعمق ألغاز الكون.
تم إجراء أحد أكثر الاختبارات صرامة على الإطلاق بواسطة فريق دولي من علماء الفلك بقيادة مايكل كرامر من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي (MPIfR) في بون ، ألمانيا. باستخدام سبعة تلسكوبات راديو حول العالم ، لاحظ كرامر وزملاؤه زوجًا فريدًا من النجوم النابضة لمدة 16 عامًا. في هذه العملية ، لاحظوا الآثار التي تنبأت بها الموارد الوراثية لأول مرة ، ومع أ الاحكام 99.99٪ على الأقل!
بالإضافة إلى باحثي MPIfR ، انضم إلى كرامر ورفاقه باحثون من مؤسسات في عشرة بلدان مختلفة – بما في ذلك مركز Jodrell Bank للفيزياء الفلكية (المملكة المتحدة) ، ومركز التميز ARC لاكتشاف الموجات الثقالية (أستراليا) ، ومعهد Perimeter من الفيزياء النظرية (كندا) ، مرصد باريس (فرنسا) ، Osservatorio Astronomico di Cagliari (إيطاليا) ، مرصد جنوب إفريقيا لعلم الفلك الراديوي (SARAO) ، المعهد الهولندي لعلم الفلك الراديوي (ASTRON) ومرصد Arecibo.
النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تدور بسرعة وتصدر حزمًا ضيقة وعريضة من موجات الراديو. الائتمان: ناسا مركز جودارد لرحلات الفضاء
“النجوم النابضة الراديوية” هي فئة خاصة من النجوم النيوترونية سريعة الدوران والممغنطة بقوة. تبعث هذه الأجسام فائقة الكثافة حزمًا راديوية قوية من أقطابها والتي (عند دمجها مع دورانها السريع) تخلق تأثيرًا قويًا يشبه المنارة. ينبهر علماء الفلك بالنجوم النابضة لأنها توفر ثروة من المعلومات حول الفيزياء التي تحكم الأجسام فائقة الصغر والمجالات المغناطيسية والوسط النجمي (ISM) وفيزياء الكواكب وحتى علم الكونيات.
بالإضافة إلى ذلك ، تسمح قوى الجاذبية الشديدة لعلماء الفلك باختبار التنبؤات التي قدمتها نظريات الجاذبية مثل GR و ديناميات نيوتن المعدلة (MOND) في بعض أقسى الظروف التي يمكن تخيلها. لأغراض دراستهم ، قام كرامر وفريقه بفحص PSR J0737-3039 A / B ، وهو نظام “نجمي مزدوج” يقع على بعد 2400 سنة ضوئية من الأرض في كوكبة الجراء.
هذا النظام هو الراديو الوحيد النجم النابض binary من أي وقت مضى وتم اكتشافه في عام 2003 من قبل أعضاء فريق البحث. يدور النجمان النابضان اللذان يشكلان هذا النظام بسرعة – 44 مرة في الثانية (A) ، مرة كل 2.8 ثانية (B) – ويدور كل منهما حول الآخر لمدة 147 دقيقة فقط. في حين أنها أكبر بنحو 30٪ من الشمس ، إلا أن قطرها لا يتجاوز 24 كم (15 ميل). ومن ثم فإن جاذبيتها الشديدة ومجالاتها المغناطيسية الشديدة.
إلى جانب هذه الخصائص ، فإن الفترة المدارية السريعة لهذا النظام تجعل منه مختبرًا مثاليًا تقريبًا لاختبار نظريات الجاذبية. كما ذكر البروفيسور كرامر في بيان صحفي حديث لـ MPIfR:
لقد درسنا نظامًا من النجوم المضغوطة وهو مختبر لا مثيل له لاختبار نظريات الجاذبية في وجود حقول جاذبية قوية جدًا. من دواعي سرورنا أننا تمكنا من اختبار حجر الزاوية في نظرية أينشتاين ، الطاقة المنقولة موجات الجاذبية، بدقة أفضل 25 مرة من النجم النابض Hulse-Taylor الحائز على جائزة نوبل ، و 1000 مرة أفضل مما هو ممكن حاليًا مع أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية.
انطباع الفنان عن مسار النجم S2 يمر قريبًا جدًا من القوس A * ، والذي يسمح أيضًا للفلكيين باختبار التنبؤات التي قدمتها النسبية العامة في ظل ظروف قاسية. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
تم استخدام سبعة تلسكوبات راديوية في حملة المراقبة التي استمرت 16 عامًا ، بما في ذلك تلسكوب باركس الراديوي (أستراليا) ، تلسكوب جرين بانك (الولايات المتحدة الأمريكية) ، تلسكوب نانساي الراديوي (فرنسا) ، تلسكوب إيفلسبيرج 100 متر (ألمانيا) ، تلسكوب لوفيل الراديوي (المملكة المتحدة) ، تليسكوب Westerbork Synthesis Radio Telescope (هولندا) ومجموعة خط الأساس الطويلة جدًا (الولايات المتحدة الأمريكية).
غطت هذه المراصد أجزاء مختلفة من الطيف الراديوي ، تتراوح من 334 ميجاهرتز و 700 ميجاهرتز إلى 1300 – 1700 ميجاهرتز ، 1484 ميجاهرتز و 2520 ميجاهرتز. من خلال القيام بذلك ، تمكنوا من رؤية كيف تأثرت الفوتونات القادمة من هذا النجم النابض الثنائي بجاذبيته القوية. كما أوضح المؤلف المشارك للدراسة البروفيسور إنغريد ستيرز من جامعة كولومبيا البريطانية (UBC) في فانكوفر:
“نحن نتابع انتشار الفوتونات الراديوية المنبعثة من منارة كونية ، نجم نابض ، ونتابع حركتها في مجال الجاذبية القوي لنجم نابض مرافق. نرى للمرة الأولى كيف يتأخر الضوء ليس فقط بسبب الانحناء القوي للزمكان حول رفيق ، ولكن أيضًا أن الضوء ينحرف بزاوية صغيرة قدرها 0.04 درجة يمكننا اكتشافها. لم يتم إجراء مثل هذه التجربة من قبل في مثل هذا الانحناء العالي للزمكان.
كما أضاف البروفيسور ديك مانشيستر من منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية الأسترالية (CSIRO) ، مؤلف مشارك ، فإن الحركة المدارية السريعة للأجسام المدمجة مثل هذه سمحت لهم باختبار سبع تنبؤات مختلفة. وتشمل هذه الموجات الثقالية ، وانتشار الضوء (“تأخير شابيرو وانحناء الضوء) ، وتمدد الوقت ، وتكافؤ الكتلة والطاقة (E = mc2) ، وما هو تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي على الحركة المدارية للنجم النابض.
تلسكوب روبرت سي بيرد جرين بانك (GBT) في ولاية فرجينيا الغربية. الائتمان: GBO / AUI / NSF
“هذا الإشعاع يعادل خسارة جماعية قدرها 8 ملايين طن في الثانية! قال. “في حين أن هذا يبدو كثيرًا ، إلا أنه يمثل جزءًا صغيرًا – 3 أجزاء من تريليون تريليون (!) – من كتلة النجم النابض في الثانية.” أجرى الباحثون أيضًا قياسات دقيقة للغاية للتغيرات في اتجاه مدار النجم النابض ، وهو تأثير نسبي لوحظ لأول مرة في مدار عطارد – وأحد الألغاز التي ساعدت نظرية أينشتاين في حلها.
هنا فقط ، كان التأثير أقوى بـ 140 ألف مرة ، مما جعل الفريق يدرك أنه كان عليهم أيضًا التفكير في تأثير دوران النجم النابض على الزمكان المحيط – ويعرف أيضًا باسم. تأثير Lense-Thirring ، أو “سحب الإطار”. مثل الدكتور نوربرت ويكس من MPIfR ، وهو مؤلف رئيسي آخر للدراسة ، قدم هذا اختراقًا آخر:
“في تجربتنا ، هذا يعني أنه يتعين علينا اعتبار الهيكل الداخلي للنجم النابض على أنه a النجم النيوتروني. لذلك ، تسمح لنا قياساتنا لأول مرة باستخدام التتبع الدقيق لدورات النجوم النيوترونية ، وهي تقنية نسميها مزامنة النجم النابض لتوفير قيود على امتداد النجم النيوتروني.
كان الدرس القيّم الآخر من هذه التجربة هو كيفية دمج الفريق لتقنيات المراقبة التكميلية لتحقيق قياسات مسافة عالية الدقة. غالبًا ما أعيقت الدراسات المماثلة بسبب تقديرات المسافة المقيدة بشكل سيئ في الماضي. من خلال الجمع بين تقنية تزامن النجوم النابضة وقياسات التداخل الدقيقة (وتأثيرات ISM) ، حقق الفريق نتيجة عالية الدقة تبلغ 2400 سنة ضوئية بهامش خطأ بنسبة 8٪.
عرض فنان لنجمين نيوترونيين يندمجان. تمثل الحزم الضيقة انفجار أشعة جاما ، بينما تشير شبكة الزمكان المتموجة إلى موجات الجاذبية المتناحرة التي تميز الاندماج. الائتمان: NSF / LIGO / جامعة ولاية سونوما / أ. سيمونيت
في النهاية ، لم تتفق نتائج الفريق مع GR فحسب ، بل تمكنوا أيضًا من رؤية التأثيرات التي لم يكن بالإمكان دراستها من قبل. كما قال باولو فريري ، وهو مؤلف مشارك آخر للدراسة (وكذلك MPIfR):
“نتائجنا مكملة جيدًا للدراسات التجريبية الأخرى التي تختبر الجاذبية في ظل ظروف أخرى أو ترى تأثيرات مختلفة ، مثل كاشفات موجات الجاذبية أو تلسكوب Event Horizon. كما أنها تكمل تجارب النجوم النابضة الأخرى ، مثل تجربة التوقيت مع النجم النابض في شكل ثلاثي نظام النجوم ، الذي قدم اختبارًا مستقلاً (ورائعًا) لعالمية السقوط الحر.
واختتم البروفيسور كرامر حديثه قائلاً: “لقد حققنا مستوى غير مسبوق من الدقة”. “يمكن للتجارب المستقبلية مع التلسكوبات الأكبر أن تذهب إلى أبعد من ذلك ، وقد أظهر عملنا كيف ينبغي إجراء مثل هذه التجارب والتأثيرات الدقيقة التي يجب أخذها في الاعتبار الآن. وربما سنجد انحرافًا عن النسبية العامة.
المقال الذي يصف بحثهم ظهر مؤخرًا في المجلة الفحص البدني Xو
نُشرت في الأصل في الكون اليوم.
لمعرفة المزيد عن هذا البحث:
المرجع: “اختبارات الجاذبية ذات المجال القوي باستخدام النجم المزدوج” بقلم M. Kramer et al. ، 13 كانون الأول (ديسمبر) 2021 ، الفحص البدني X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050
