أجرى الباحثون تجربة استمرت 16 عامًا لتحدي نظرية النسبية العامة لأينشتاين. نظر الفريق الدولي إلى النجوم – زوج من النجوم المتطرفة تسمى النجوم النابضة – من خلال سبعة تلسكوبات راديوية في جميع أنحاء 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 مؤشر للفيزياء يتجاوز GR من شأنه أن يفتح نوافذ جديدة على الكون ويساعد في حل بعض الألغاز الأكثر عمقًا حول الكون.
أُجري مؤخرًا 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 بألمانيا. باستخدام سبعة تلسكوبات لاسلكية من جميع أنحاء العالم ، لاحظ كرامر وزملاؤه زوجًا فريدًا من النجوم النابضة لمدة 16 عامًا. في هذه العملية ، لاحظوا التأثيرات التي تنبأت بها الموارد الوراثية لأول مرة ، ومع صحة 99.99٪ على الأقل!
بالإضافة إلى الباحثين من 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 المحيط. للفيزياء النظرية (كندا) ومرصد باريس (فرنسا) و Osservatorio Astronomico di Cagliari (إيطاليا) ومرصد علم الفلك الراديوي في جنوب إفريقيا (SARAO) والمعهد الهولندي لعلم الفلك الراديوي (ASTRON) ومرصد Arecibo.
النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنبعث منها حزم ضيقة كاسحة من موجات الراديو. الائتمان: مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا
“النجوم النابضة الراديوية” هي فئة خاصة من النجوم النيوترونية سريعة الدوران والمغناطيسية للغاية. 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 الديناميكيات النيوتونية المعدلة (MOND) في ظل بعض أقسى الظروف التي يمكن تخيلها. من أجل دراستهم ، قام كرامر وفريقه بفحص PSR J0737-3039 A / B ، وهو نظام “نجمي مزدوج” يقع على بعد 2400 سنة ضوئية من الأرض في كوكبة Puppis.
هذا النظام هو الراديو الوحيد النجم النابض binary من أي وقت مضى وتم اكتشافه في عام 2003 من قبل أعضاء فريق البحث. يتمتع النجمان النابضان اللذان يشكلان هذا النظام بدورات سريعة – 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 أنها لا تتجاوز قطرها حوالي 24 كم (15 ميل). ومن ثم ، فإن جاذبيتها الشديدة ومجالاتها المغناطيسية الشديدة.
بالإضافة إلى هذه الخصائص ، فإن الفترة المدارية السريعة لهذا النظام تجعل منه مختبرًا شبه مثالي لاختبار نظريات الجاذبية. كما قال البروفيسور كريمر في بيان صحفي حديث لـ MPIfR:
“لقد درسنا نظامًا من النجوم المضغوطة وهو مختبر منقطع النظير لاختبار نظريات الجاذبية في وجود حقول جاذبية قوية جدًا. من دواعي سرورنا أننا تمكنا من اختبار حجر الزاوية في نظرية أينشتاين ، الطاقة التي يحملها 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 الذي يمر بالقرب من القوس A * ، والذي يسمح أيضًا لعلماء الفلك باختبار التنبؤات التي قدمتها النسبية العامة في ظل ظروف قاسية. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
تم استخدام سبعة تلسكوبات راديوية لحملة المراقبة التي استمرت 16 عامًا ، بما في ذلك تلسكوب باركس الراديوي (أستراليا) ، تلسكوب جرين بانك (الولايات المتحدة) ، تلسكوب نانساي الراديوي (فرنسا) ، تلسكوب إيفلسبيرج 100 م (ألمانيا) ، لوفيل التلسكوب الراديوي (المملكة المتحدة) ، تلسكوب Westerbork Synthesis Radio Telescope (هولندا) ، والصفيف الأساسي الطويل جدًا (الولايات المتحدة).
غطت هذه المراصد أجزاء مختلفة من الطيف الراديوي ، تتراوح من 334 ميجاهرتز و 700 ميجاهرتز إلى 1300 – 1700 ميجاهرتز ، 1484 ميجاهرتز ، و 2520 ميجاهرتز. وبذلك ، تمكنوا من رؤية كيف تأثرت الفوتونات القادمة من هذا النجم النابض الثنائي بجاذبيته القوية. كما أوضحت البروفيسور إنغريد ستيرز من جامعة كولومبيا البريطانية (UBC) في فانكوفر ، مؤلفة مشاركة في الدراسة:
“نحن نتابع انتشار الفوتونات الراديوية المنبعثة من منارة كونية ، نجم نابض ، ونتتبع حركتها في مجال الجاذبية القوي لنجم نابض مرافق. نرى لأول مرة 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 المؤلف المشارك البروفيسور ديك مانشيستر من منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية الأسترالية (CSIRO) ، فإن الحركة المدارية السريعة للأجسام المدمجة مثل هذه سمحت لهم باختبار سبع تنبؤات مختلفة حول GR. وتشمل هذه موجات الجاذبية ، وانتشار الضوء (“تأخير شابيرو وانحناء الضوء) ، وتمدد الوقت ، ومعادلة 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!” هو قال. “على الرغم من أن هذا يبدو كثيرًا ، إلا أنه يمثل جزءًا صغيرًا – 3 أجزاء في ألف مليار (!) – من كتلة النجم النابض في الثانية.” أجرى الباحثون أيضًا قياسات دقيقة للغاية للتغيرات في الاتجاه المداري للنجوم النابضة ، وهو تأثير نسبي لوحظ لأول مرة مع مدار عطارد – وأحد الألغاز التي ساعدت نظرية أينشتاين عن GR في حلها.
هنا فقط ، كان التأثير أقوى بـ 140 ألف مرة ، مما دفع الفريق إلى إدراك أنهم بحاجة أيضًا إلى النظر في تأثير دوران النجم النابض على الزمكان المحيط – ويعرف أيضًا باسم. تأثير Lense-Thirring ، أو “سحب الإطار”. كما سمح الدكتور نوربرت ويكس من MPIfR ، وهو مؤلف رئيسي آخر للدراسة ، بإحداث اختراق آخر:
“يعني هذا في تجربتنا أننا بحاجة إلى اعتبار الهيكل الداخلي للنجم النابض على أنه a النجم النيوتروني. ومن ثم ، تسمح لنا قياساتنا لأول مرة باستخدام التتبع الدقيق لدورات النجم النيوتروني ، وهي تقنية نسميها توقيت النجم النابض لتوفير قيود على امتداد النجم النيوتروني “.
كانت النتيجة الأخرى القيمة من هذه التجربة هي كيفية قيام الفريق بدمج تقنيات المراقبة التكميلية للحصول على قياسات مسافة عالية الدقة. غالبًا ما أعيقت الدراسات المماثلة بسبب تقديرات المسافات الضعيفة في الماضي. من خلال الجمع بين تقنية توقيت النجم النابض وقياسات التداخل الدقيقة (وتأثيرات ISM) ، حصل الفريق على نتيجة عالية الدقة تبلغ 2400 سنة ضوئية بهامش خطأ بنسبة 8٪.
رسم توضيحي لفنان لنجمين نيوترونيين مدمجين. 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 تكن نتائج الفريق متوافقة مع GR فحسب ، بل تمكنوا أيضًا من رؤية التأثيرات التي لم يكن بالإمكان دراستها من قبل. كما أعرب باولو فريري ، مؤلف مشارك آخر في الدراسة (وأيضًا من MPIfR):
“نتائجنا مكملة بشكل جيد للدراسات التجريبية الأخرى التي تختبر الجاذبية في ظروف أخرى أو ترى تأثيرات مختلفة ، مثل كاشفات موجات الجاذبية أو تلسكوب أفق الحدث. كما أنها تكمل تجارب النجوم النابضة الأخرى ، مثل تجربة التوقيت الخاصة بنا مع النجم النابض في نظام ثلاثي نجمي ، والتي قدمت اختبارًا مستقلاً (ورائعًا) لعالمية السقوط الحر “.
واختتم البروفيسور كرامر قائلاً: “لقد وصلنا إلى مستوى غير مسبوق من الدقة”. يمكن للتجارب المستقبلية مع التلسكوبات الأكبر أن تمضي إلى أبعد من ذلك وستظل كذلك. أظهر عملنا الطريقة التي يجب إجراء مثل هذه التجارب بها وأي التأثيرات الدقيقة التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار الآن. وربما سنجد يومًا ما انحرافا عن النسبية العامة “.
الورقة التي تصف بحثهم ظهرت مؤخرًا في المجلة مراجعة البدنية Xو
نُشرت في الأصل في الكون اليوم.
لمعرفة المزيد عن هذا البحث:
المرجع: “اختبارات جاذبية المجال القوي باستخدام النجم المزدوج” بقلم M. Kramer et al. ، 13 كانون الأول (ديسمبر) 2021 ، مراجعة البدنية X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”