Tung pulsar ger Einstein rätt – än så länge

Än så länge överensstämmer de nya observationerna perfekt med förutsägelserna från den allmänna relativitetsteorin, och stämmer inte med vissa andra alternativa teorier. Forskningsresultaten publiceras i tidskriften Science den 26 april 2013.

Ett internationellt team har upptäckt en dubbelstjärna med två exotiska medlemmar. Den ena är en liten men ovanligt tung neutronstjärna, som snurrar runt sin egen axel 25 gånger per sekund. Runt den kretsar en vit dvärgstjärna med en omloppstid på två och en halv timme. Neutronstjärnan är också en pulsar: den skickar ut radiovågor som kan mätas upp på jorden av radioteleskop. Det här ovanliga paret är intressant i sin egen rätt, men det är också ett unikt laboratorium där forskare kan testa gränserna för fysikens teorier.

Pulsaren, som kallas PSR J0348+0432, är återstoden av en exploderad supernova. Den är två gånger tyngre än solen, men bara 20 kilometer stor. Gravitationskraften på dess yta är mer än 300 miljarder gånger starkare än på jordens. I dess mitt skulle en volym stor som en sockerbit ha en massa på över en miljard ton. Dess följeslagare, den vita dvärgstjärnan, är lite mindre exotisk; den är en långsamt kallnande rest efter en lättare stjärna som tappat sin atmosfär.
Doktoranden John Antoniadis vid Max Planck-institutet för radioastronomi (MPIfR) i Bonn har lett studien:

– Jag höll på att observera det här systemet med ESO:s Very Large Telescope och letade efter ändringar i ljuset från den vita dvärgen som skulle orsakas av rörelsen runt pulsaren. Vid en snabb analys gick det upp för mig att pulsaren var en riktig tungviktare. Den har dubbelt så stor massa som solen, vilket gör den till den mest massiva neutronstjärnan vi känner till, men också ett utmärkt laboratorium för att studera fundamental fysik, säger han.

Einsteins allmänna relativitetsteori, som förklarar gravitationen som en konsekvens av att rumtiden kröks av närvaron av massa och energi, har stått emot alla tester sedan den publicerades för nästan ett århundrade sedan. Men fysikerna vet att det inte är den slutgiltiga teorin för att förklara allt och att det kommer att finnas tillfällen där den helt enkelt inte fungerar [1].

Fysiker har även lagt fram andra alternativa teorier för gravitationen med förutsägelser som skiljer sig från dem från den allmänna relativitetsteorin. För vissa av dessa alternativa teorier skulle bara dessa skillnader visa sig i extremt starka gravitationsfält, så starka att man inte kan hitta dem i vårt solsystem. PSR J0348+0432 är verkligen ett extremt objekt när det gäller dess gravitationskraft, även om man jämför den med de andra pulsarerna som tidigare använts för att testa Einsteins relativitetsteori [2].

I sådana starka gravitationsfält kan små skillnader i massa ge upphov till stora förändringar i rumtiden omkring objekten. Tills nu har astronomer inte haft någon idé om vad som händer i närheten av en sådan massiv neutronstjärna som PSR J0348+0432. Den ger en unik möjlighet att sätta fysikens lagar på prov.

Teamet kombinerade observationer med VLT av den vita dvärgstjärnan med noggrann tidtagning av pulsarens radiopulser, gjorda med radioteleskop [3]. Sådana närgångna par skickar ut gravitationsvågor och förlorar energi, vilket gör att omloppsperioden ändras hela tiden lite grand. Förutsägelserna om hur mycket den ändras skiljer sig åt mellan relativitetsteorin och andra konkurrerande teorier.

Paulo Freire är också medlem i teamet.
– Våra radioobservationer är så noggranna att vi kan kunnat mäta upp en förändring i omloppstiden på 8 millisekunder per år. Det är exakt vad Einsteins teori förutsäger, säger han.
Detta är bara början på mer detaljerade studier av denna unika dubbelstjärna. I framtiden kommer astronomer att använda den för att göra ännu mer noggranna tester av den allmänna relativitetsteorin.

Noter
[1] Den allmänna relativitetsteorin stämmer inte helt överens med 1900-talets andra stora fysikaliska teori, kvantmekaniken. Den förutspår dessutom singulariteter i vissa fall, där vissa storheter blir oändligt stora, så som i mitten av ett svart hål.
[2] Den första dubbelpulsaren, PSR B1913+16, upptäcktes av Joseph Hooton Taylor, Jr. och Russell Hulse, som fick 1993 års Nobelpris i fysik för upptäckten. De mätte noggrant upp skillnaderna i detta underliga objekts egenskaper och visade att de stämde perfekt överens med energi som försvinner som gravitationsstrålning, just på det sätt som förutspåddes av den allmänna relativitetsteorin.
[3] I den här studien studerades data från radioteleskopen vid Effelsberg, Arecibo och Green Bank, samt observationer av synligt ljus med ESO:s VLT och William Herschel-teleskopet.
Mer information

Resultaten presenteras i forskningsartikeln “A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit”, av John Antoniadis m. fl., som publiceras i tidskriften Science den 26 April 2013. 

ESO, Europeiska sydobservatoriet,
är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 15 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop: VISTA, som observerar infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop, samt VST, det största teleskopet som konstruerats för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO bidrar dessutom till ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och världens hittills största astronomiska projekt. ESO planerar för närvarande bygget av det europeiska extremt stora 39 metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli “världens största öga mot himlen”.