Fényes neutroncsillagok

A pulzárok olyan neutroncsillagok, amelyek erős mágneses térrel rendelkeznek és rendkívül gyorsan forognak tengelyük körül, a mágneses pólusaiknál mindkét irányba kibocsátott elektromágneses sugarak fénye emiatt a távoli megfigyelő számára pulzálónak tűnik. Az eddig felfedezett többezer pulzár közül a legtöbb nagyjából másodpercenként egyszer, kisebb részük ennél sokkal gyorsabban, másodpercenként akár hétszázszor is körbefordulhat, igaz, hogy ez a sebesség azért meglehetősen ritka. Ezek az égitestek néhány tíz kilométer átmérőjű kis méretük ellenére a Napénál is nagyobb tömeggel rendelkeznek, ezért sűrűségük rendkívül nagy: a NASA leírása szerint

egy kockacukor nagyságú darabka egy neutroncsillagból, így egy pulzárból is, majdnem egymilliárd tonnát nyomna, ha valahogy a Földre kerülne.

Emiatt a pulzárok gravitációs vonzása is sokszorosa más égitestekének, a Föld gravitációs vonzásánál milliárdszor erősebb.

Kozmikus laboratórium

Egy nemzetközi kutatócsapat, köztük az ausztrál CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) és a Max Planck Rádiócsillagászati ​​Intézet csillagászai, valamint francia, olasz, holland, brit és kanadai szakemberek ezeket a különleges objektumokat választották arra, hogy segítségükkel teszteljék, vajon Einstein több mint egy évszázada papírra vetett általános relativitáselmélete valóban megállja-e a helyét és a minden eddiginél precízebb elemzések során is bebizonyítható-e az egyes kijelentéseinek igazsága. A kutatók 16 éven át, 2003-tól 2019-ig két pulzárt (PSR J0737–3039A/B) figyeltek meg hat nagyméretű teleszkóppal, amelyek a bolygó különböző pontjain helyezkednek el Ausztráliától Németországig, ezalatt felfedték az objektumok jellemzőit és kiderítették, hogy a 2003-ban felfedezett rádió pulzárok egyike negyvennégyszer fordul meg egy másodperc alatt a tengelye körül, a másik valamivel lassabban, egy fordulatot csak 2,8 másodperc alatt tesz meg, miközben az égitestek egymás körül is keringenek, a keringési pályájukon két és fél óra alatt jutnak körbe.

A csillagászok hét különböző faktort is figyelembe vettek a méréseknél, vagyis hét szempontból is ellenőrizték a relativitáselmélet szabályait, többek között vizsgálták a keringési pálya deformációját, a pulzárok forgása és keringése közötti viszonyt és azt, hogy a rádiójeleket hogyan téríti el az égitestek téridőre való hatása. Az általános relativitáselmélet szabálya szerint az ilyen gyorsan forgó objektumok hatással vannak a téridőre, gravitációs hullámokat hoznak létre, ennek köszönhetően energiát veszítenek és a keringési pályájuk hossza lecsökken egy idő után. Mindez abból figyelhető meg a legjobban, hogy a két pulzár egyre kevesebb idő alatt éri el azt a pontot, amelynél a legközelebb kerülnek egymáshoz.

Einstein elméletét újra bizonyították

Az APS Physics leírása szerint a kutatók minden eddiginél precízebben határozták meg az energiaveszteséget, amelyet a gravitációs hullámok okoznak és ami lerövidíti a keringési pályát, az illusztráción pedig jól látszik, hogy a mérések eredményei tökéletes összhangban állnak az einsteini gravitációs elmélettel, míg a newtoni teória alapján végzett számítások ettől jelentősen eltérnek.

Ahogy a CSIRO közleményében írják, a pulzárok becslések szerint körülbelül 85 millió év múlva kerülnek olyan közel egymáshoz, hogy végül összeütközzenek, vagyis az energiaveszteség nagyon kis mértékű, ahhoz, hogy ezt az alig mérhető szintet detektálni tudják, a pulzárok által kibocsátott sugárnyalábok periodikus pulzálásában megfigyelhető eltéréseket vették figyelembe.

Összesen 20 milliárd alkalommal mérték a rádiójelek felbukkanását a 16 év alatt,

de ahhoz, hogy a számításokat el tudják végezni, azt is tudni kellett, hogy a pulzárok milyen távolságban helyezkednek el a Földtől.

Ehhez szintén a sugarak periodikus megjelenésére támaszkodtak, az évek alatt sikerült egy egészen kis ingadozást észlelni a pulzálásában, amiből ki tudták következtetni az objektumok Földtől való távolságát, így kiderült, hogy a rendszer a bolygónktól 2400 fényévre található. A további vizsgálatok során más szempontok alapján is tesztelték a relativitáselmélet,

"összesen hét poszt-newtoni hatást detektáltunk, beleértve néhányat, amelyet korábban még sosem figyeltük meg"

- írja Adam Deller és Richard Manchester, a kutatás résztvevői a Conversationön megjelent beszámolójukban - "Együttesen ezek az általános relativitáselméletnek az eddigi legjobb próbáját jelentik erős gravitációs mezőben. Tizenhat hosszú év után bebizonyosodott, hogy a megfigyeléseink fantasztikus módon egybevágnak Einstein általános relativitáselméletével, 99,99%-os pontossággal egyeznek Einstein előrejelzéseivel. Az 1915 óta megjelent tucatnyi gravitációs elmélet közül egy sem tudja ilyen pontosan leírni a kettős pulzárok mozgását."

A kutatók azonban csak ideiglenes elégszenek meg ezekkel az eredményekkel, a fő cél, hogy megtalálják azokat a gyenge pontokat, amelyek elképzelésük szerint a relativitáselméletben rejtőznek, hogy ezután egy pontosabb gravitációs elmélettel helyettesíthessék. Az elkövetkező időkben ezért még nagyobb és még erőteljesebb teleszkópok használatával további vizsgálatokat végeznek a pulzárokkal kapcsolatban, a tesztek pedig más frontokon is zajlanak, például a fekete lyukak megfigyelésével vagy a LIGO és Virgo interferométerek neutroncsillag méréseivel.

De amíg be nem bizonyosodik, hogy az általános relativitáselmélet mégis hibádzik valahol, addig "Einstein teóriája marad az egyeduralkodó" - írják a kutatók.

(Fotó: Michael Kramer/MPIfR, John Rowe Animations/CSIRO, CC BY 4.0,NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)