Menantang Teori Bintang Ekstrim Terbesar Einstein

Para peneliti dari University of East Anglia dan University of Manchester membantu menjalankan eksperimen 16 tahun untuk menantang teori relativitas umum Einstein.

Tim internasional melihat bintang – sepasang bintang ekstrem yang disebut pulsar, tepatnya – melalui tujuh Teleskop radio di seluruh dunia.

Dan mereka menggunakannya untuk menantang teori Einstein yang paling terkenal dengan beberapa ujian terberat.

Studi yang diterbitkan hari ini di jurnal Verifikasi fisik X, mengungkapkan efek relativistik baru yang, meskipun diharapkan, kini telah diamati untuk pertama kalinya.

dr. Robert Ferdman dari UEA School of Physics berkata: “Sukses spektakuler seperti Einstein teori relativitas umum telah membuktikan, kita tahu bahwa ini bukanlah kata terakhir dalam teori gravitasi.

“Lebih dari 100 tahun kemudian, para ilmuwan di seluruh dunia melanjutkan upaya mereka untuk menemukan kekurangan dalam teorinya.

“Relativitas umum tidak sesuai dengan gaya fundamental lain yang dijelaskan oleh mekanika kuantum. Oleh karena itu, penting untuk terus tunduk pada relativitas umum pada pengujian yang paling ketat untuk mengetahui bagaimana dan kapan teori itu runtuh.

“Menemukan penyimpangan dari relativitas umum akan menjadi penemuan penting yang akan membuka jendela fisika baru di luar pemahaman teoretis kita saat ini tentang alam semesta.

“Dan pada akhirnya dapat membantu kita menemukan teori terpadu tentang kekuatan fundamental alam.”

Di bawah arahan Michael Kramer dari Institut Max Planck untuk Radio Astronomi di Bonn, tim peneliti internasional dari sepuluh negara menguji teori Einstein dengan ujian terberat.

dr. Ferdman berkata, “Pulsar adalah bintang kompak berputar bermagnet kuat yang memancarkan sinar elektromagnetik dari kutub magnetnya.

“Mereka lebih berat dari matahari kita, tetapi tingginya hanya sekitar 15 mil – jadi mereka adalah objek yang sangat padat yang menghasilkan gelombang radio yang menyapu langit seperti mercusuar.

“Kami memeriksa pulsar ganda yang ditemukan oleh anggota tim pada tahun 2003 dan merupakan laboratorium paling akurat yang saat ini kami miliki untuk menguji teori Einstein dan mempelajarinya, Anda bisa bayangkan.”

Pulsar ganda terdiri dari dua pulsar yang mengorbit satu sama lain hanya dalam waktu 147 menit dengan kecepatan sekitar 1 juta km/jam. Sebuah pulsar berputar sangat cepat, sekitar 44 kali per detik. Pendampingnya masih muda dan memiliki waktu rotasi 2,8 detik. Ini adalah gerakan mereka di sekitar satu sama lain yang dapat digunakan sebagai laboratorium gravitasi yang hampir sempurna.

Tujuh teleskop radio sensitif digunakan untuk mengamati pulsar ganda ini – di Australia, AS, Prancis, Jerman, Belanda, dan Inggris (Teleskop Radio Lovell).

Prof. Kramer berkata: “Kami memeriksa sistem bintang kompak yang merupakan laboratorium tak tertandingi untuk menguji teori gravitasi di hadapan medan gravitasi yang sangat kuat.

“Kami senang, kami dapat menguji landasan teori Einstein, energi yang dibawa oleh gelombang gravitasi, dengan akurasi 25 kali lebih baik daripada pulsar pemenang Hadiah Nobel Hulse-Taylor dan 1000 kali lebih baik daripada yang mungkin dilakukan saat ini dengan detektor gelombang gravitasi. .”

Dia menjelaskan bahwa pengamatan tidak hanya sesuai dengan teori, “tetapi kami juga dapat melihat efek yang sebelumnya tidak dapat diselidiki”.

Prof Benjamin Stappers dari University of Manchester mengatakan: “Penemuan sistem pulsar ganda dibuat sebagai bagian dari survei yang dilakukan bersama oleh University of Manchester dan memberi kami satu-satunya contoh yang diketahui dari dua jam kosmik yang secara tepat mengukur struktur. dan pengembangan satu medan Gravitasi yang intens.

“Teleskop Lovell di Observatorium Jodrell Bank telah memantaunya setiap beberapa minggu sejak saat itu. Garis dasar panjang dengan kualitas tinggi dan pengamatan yang sering ini memberikan kumpulan data yang sangat baik yang dapat digabungkan dengan yang berasal dari observatorium di seluruh dunia.”

Prof. Ingrid Stairs dari University of British Columbia di Vancouver mengatakan: “Kami melacak propagasi foton radio yang dipancarkan oleh mercusuar kosmik, pulsar, dan melacak pergerakan mereka di medan gravitasi kuat dari pulsar pendamping.

“Kami melihat untuk pertama kalinya bagaimana cahaya tidak hanya tertunda oleh kelengkungan ruang-waktu yang kuat di sekitar pendamping, tetapi juga bahwa cahaya dibelokkan oleh sudut kecil 0,04 derajat, yang dapat kami deteksi. Belum pernah eksperimen seperti itu dilakukan pada kelengkungan ruang-waktu yang begitu tinggi.”

Prof Dick Manchester dari Badan Ilmu Pengetahuan Nasional Australia, CSIRO, mengatakan, “Gerakan orbit yang begitu cepat dari benda-benda padat seperti ini – mereka sekitar 30 persen lebih besar dari Matahari tetapi hanya sekitar 15 mil – memungkinkan kita untuk membuat banyak prediksi yang berbeda tentang relativitas umum – semuanya berjumlah tujuh!

“Selain dari Gelombang gravitasi dan propagasi cahaya, presisi kami juga memungkinkan kami untuk mengukur efek “pelebaran waktu” yang memperlambat jam di medan gravitasi.

“Kita bahkan harus menggunakan persamaan Einstein yang terkenal E = mc² memperhitungkan, jika seseorang memperhitungkan pengaruh radiasi elektromagnetik dari pulsar yang berputar cepat pada gerakan orbit.

“Radiasi ini sesuai dengan kehilangan massa 8 juta ton per detik! Kelihatannya sangat banyak, tetapi itu hanya sebagian kecil – 3 bagian dari seribu miliar miliar (!) – dari massa pulsar per detik. “

Selain itu, para peneliti mengukur – dengan akurasi 1 juta (!) – bahwa orbit mengubah orientasinya, efek relativistik yang juga diketahui dari orbit Merkurius, tetapi 140.000 kali lebih kuat di sini.

Mereka menyadari bahwa dengan akurasi ini mereka juga harus memperhitungkan pengaruh rotasi pulsar pada ruang-waktu di sekitarnya, yang “terseret” dengan pulsar yang berputar.

dr. Norbert Wex dari MPIfR, penulis utama studi lainnya, mengatakan: “Para fisikawan menyebutnya sebagai Lense-Thirring-Effect atau Frame-Dragging. Dalam percobaan kami, ini berarti bahwa kami harus melihat struktur internal pulsar sebagai bintang neutron.

“Oleh karena itu, pengukuran kami memungkinkan kami untuk pertama kalinya melacak secara tepat rotasi bintang neutron, sebuah teknik yang kami sebut waktu pulsar untuk membatasi ukuran bintang neutron.”

Teknik waktu pulsar dikombinasikan dengan pengukuran interferometrik yang cermat dari sistem untuk menentukan jaraknya dengan pencitraan resolusi tinggi, menghasilkan nilai 2.400 tahun cahaya dengan toleransi kesalahan hanya 8 persen.

Anggota tim Prof. Adam Deller dari Swinburne University di Australia dan bertanggung jawab atas bagian eksperimen ini mengatakan: “Ini adalah kombinasi dari berbagai teknik observasi pelengkap yang menambah nilai eksperimen yang ekstrem. Di masa lalu, studi serupa sering terhambat “oleh keterbatasan pengetahuan tentang jarak sistem tersebut.”

Ini tidak terjadi di sini, di mana selain waktu pulsar dan interferometri, informasi dari pengaruh media antarbintang juga telah dipertimbangkan dengan cermat.

Prof Bill Coles dari University of California San Diego setuju: “Kami telah mengumpulkan semua informasi yang mungkin tentang sistem dan memperoleh gambaran yang sangat konsisten yang mencakup fisika dari berbagai bidang seperti fisika nuklir, gravitasi, medium antarbintang, fisika plasma dan banyak lagi. . ” . Itu cukup luar biasa.”

Paulo Freire, juga dari MPIfR, mengatakan: “Hasil kami melengkapi studi eksperimental lain yang menguji gravitasi dalam kondisi berbeda atau melihat efek lain, seperti detektor gelombang gravitasi atau Event Horizon Telescope.

“Mereka juga melengkapi eksperimen pulsar lainnya, seperti eksperimen waktu kami dengan pulsar dalam sistem tiga bintang yang memberikan tes independen dan sangat baik dari universalitas jatuh bebas. “

Prof. Kramer menambahkan: “Kami telah mencapai tingkat presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Eksperimen masa depan dengan teleskop yang lebih besar dapat dan akan melangkah lebih jauh.

“Pekerjaan kami telah menunjukkan bagaimana eksperimen semacam itu harus dilakukan dan efek halus mana yang sekarang harus diperhitungkan. Dan mungkin suatu hari kita akan menemukan penyimpangan dari relativitas umum.”

“Tes Gravitasi Medan Kuat dengan Pulsar Ganda” muncul di Verifikasi fisik X pada 13 Desember 2021.