Jeżeli w próżni jednocześnie upuścimy pióro oraz kulę do kręgli, te dotrą do podłoża w tym samym czasie. Mimo że wymienione przedmioty posiadają różną masę, grawitacja wpływa na nie identycznie, co jako pierwszy zaprezentował Galileusz. Zgodnie z teorią względności Einsteina podobnie jest w przypadku tak masywnych obiektów jak gwiazdy, co z największą dokładnością w historii właśnie udało się potwierdzić.
Za wspomniane dokonanie odpowiada międzynarodowy zespół naukowców, którego praca właśnie ukazała się w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics. Badaczom udało się udowodnić, iż jeden z kluczowych elementów teorii Einsteina dotyczy także obiektów o niebywale silnej grawitacji, takich jak gwiazdy neutronowe.
Na wzór Ziemi, Słońca i Księżyca
Korzystając z radioteleskopu obserwatorium w Nançay, astrofizycy przeanalizowali sygnały pochodzące z pulsara (typu gwiazdy neutronowej) PSR J0337+1716. Pulsar ten jest 1,44 razy masywniejszy niż Słońce i jednocześnie stanowi kulę o średnicy zaledwie 25 kilometrów, a wokół niego krążą dwa białe karły o znacznie słabszym polu grawitacyjnym. Pierwszy z karłów krąży wokół pulsara w odległości 10 razy mniejszej niż ta, która dzieli Słońce i Merkurego, zaś drugi oddalony jest od pozostałych obiektów nieco mocniej niż Ziemia i Księżyc od Słońca.
„Pulsar emituje wiązkę fal radiowych, które przemierzają przestrzeń. Za każdym razem ta wiązka jest rejestrowana z dużą dokładnością przez radioteleskop w Nançay. Gdy pulsar porusza się po swojej orbicie, czas, jakiego promieniowanie radiowe potrzebuje, by dotrzeć na Ziemię, zmienia się. To pomiar i matematyczne modelowanie tego czasu, z dokładnością do kilku nanosekund, pozwala naukowcom z wyjątkową precyzją określić ruchy gwiazdy.”, powiedział doktor Guillaume Voisin, członek zespołu.
Pulsar PSR J0337+1716 wraz z towarzyszącymi mu białymi karłami. Wizja artysty. | Źródło: Guillaume Voisin/CC BY-SA 4.0
„Przede wszystkim, to unikatowa konfiguracja tego układu, podobna do układu Ziemia-Księżyc-Słońce, obejmująca drugi obiekt towarzyszący (pełniący rolę Słońca), w stronę którego dwie pozostałe gwiazdy ‘opadają’ (orbitują) pozwoliła na przeprowadzenie gwiezdnej wersji słynnego eksperymentu Galileusza z wieży w Pizie. Dwa ciała o różnej budowie z takim samym przyspieszeniem opadają w stronę pola grawitacyjnego trzeciego.”, dodał Voisin.
Masa miarą energii
W układzie słonecznym eksperyment zwany transksiężycową transmisją laserową pokazał, że i na Ziemię, i na Księżyc, pole grawitacyjne Słońca ma dokładnie taki sam wpływ, tak jak przewidział Einstein. Podejrzewano jednak, że pewne odchylenia od prawa swobodnego spadania ciał w polu grawitacyjnym mogłyby wystąpić tylko w przypadku obiektów o niebywale silnej grawitacji, takich jak gwiazdy neutronowe, które sporą część swojej masy zawdzięczają własnej energii grawitacyjnej, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina – E=mc2. Eksperyment przeprowadzony przez zespół z udziałem układu pulsara i dwóch białych karłów, który pokazał, że wymienione obiekty opadają w swoją stronę tak samo, uzupełnia lukę pozostawioną przez testy dotyczące Układu Słonecznego, gdzie żaden obiekt nie dysponuje grawitacją nawet w połowie tak silną jak gwiazda neutronowa.
Obserwacje pulsara i jego towarzyszy pokazały, że ekstremalne pole grawitacyjne gwiazdy neutronowej nie może różnić się bardziej niż o 0,00018% (wynik uzyskany przy przedziale ufności na poziomie 95%) od prognozy wysnutej na podstawie teorii względności. Ten wynik to najdokładniejsze dotąd potwierdzenie (o około 30% dokładniejsze niż dotychczasowe), że prawo swobodnego spadania ciał ma zastosowanie nawet w obecności obiektu, który dużą część swojej masy zawdzięcza własnemu polu grawitacyjnemu.
Źródło: Astronomy and Astrophysics, Foto. tyt. NASA/JPL-Caltech/SAO