Lehdistötiedote

Einstein oli oikeassa — toistaiseksi

Ennätyspulsari vie yleisen suhteellisuusteorian testaamisen uudelle tasolle

25. huhtikuuta 2013

Tähtitieteilijät ovat käyttäneet ESO:n VLT-teleskooppia, sekä radioteleskooppeja ympäri maailman, etsiessään ja tutkiessaan omituista kaksoistähteä, jossa valkoista kääpiötähteä kiertää tähän mennessä löydetyistä massiivisin neutronitähti. Tämä outo, uusi kaksoistähti mahdollistaa Einsteinin gravitaatioteorian — yleisen suhteellisuusteorian — testaamisen tavoilla, jotka eivät olleet mahdollisia ennen kuin nyt. Tähän mennessä uudet havainnot täsmäävät täysin yleisen suhteellisuusteorian ennustusten kanssa ja ovat yhteensopimattomia joidenkin vaihtoehtoisten teorioiden kanssa. Tulokset julkaistaan julkaisusarjassa Science 26. huhtikuuta 2013.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt eksoottisen kaksoiskohteen, jossa pikkuruista, mutta epätavallisen massiivista, akselinsa ympäri 25 kertaa sekunnissa kieppuvaa neutronitähteä kiertää kerran 2.5 tunnissa valkoinen kääpiötähti. Neutronitähti on pulsari, joka säteilee radioaaltoja, jotka voidaan Maapallolla havaita radioteleskoopeilla. Vaikka tämä epätavallinen pari on jo itsessään hyvin mielenkiintoinen, se on myös ainutlaatuinen fysikaalisten teorioiden rajojen testilaboratorio.

Pulsarin nimi on PSR J0348+0432 ja se on supernovaräjähdyksen jäänne. Se on kaksi kertaa massiivisempi kuin Aurinko, mutta halkaisijaltaan vain 20 kilometriä. Sen pintapainovoima on yli 300 miljardia kertaa voimakkaampi kuin Maapallolla ja sen ytimessä yli miljardi tonnia materiaa on sulloutunut jokaiseen sokeripalan kokoiseen tilavuuteen. Sen kumppani, valkoinen kääpiötähti on vain hieman vähemmän eksoottinen. Se on paljon kevyemmän, kaasukehänsä menettäneen ja hiljalleen jäähtyvän tähden hohtava jäänne.

"Olin havaitsemassa järjestelmää ESO:n VLT-teleskoopilla, etsimässä valkoisen kääpiön kierron pulsarin ympäri aiheuttamia muutoksia sen säteilemässä valossa," sanoo John Antoniadis, Bonnissa sijaitsevan Radiotähtitieteen Max Planck -instituutin (MPIfR) jatko-opiskelija ja tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja. "Pikainen analyysi saman tien sai minut ymmärtämään, että pulsari on varsinainen raskassarjalainen. Se on kaksi kertaa massiivisempi kuin Aurinko, mikä tekee siitä kaikkein massiivisimman tunnetun neutronitähden ja myös erinomaisen perusfysiikan laboratorion."

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, joka selittää painovoiman massan ja energian aiheuttaman aika-avaruuden kaareutumisen seurauksena, on selvinnyt kaikista testeistä sen jälkeen, kun se julkaistiin lähes vuosisata sitten. Se ei kuitenkaan voi olla lopullinen selitys ja sen täytyy ennen pitkää murtua [1].

Fyysikot ovat kehittäneet muita painovoimateorioita, jotka tekevät erilaisia ennustuksia kuin yleinen suhteellisuusteoria. Joissakin näistä vaihtoehdoista eroavuudet tulevat esille vain äärimmäisen voimakkaissa gravitaatiokentissä, joita ei voi löytää aurinkokunnasta. Painovoimasta puhuttaessa PSR J0348+0432 on todella äärimmäinen kohde, jopa verrattuna muihin pulsareihin, joita on käytetty Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian suuren tarkkuuden testeissä [2]. Niin voimakkaissa gravitaatiokentissä pienet massan lisäykset voivat johtaa suuriin muutoksiin näitä kappaleita ympäröivässä aika-avaruudessa. Tähän mennessä tähtitieteilijöillä ei ollut käsitystä, mitä tapahtuisi PSR J0348+0432:n kaltaisen massiivisen neutronitähden läheisyydessä. Se tarjoaa ainutkertaisen mahdollisuuden viedä testit uudelle tasolle.

Tutkimusryhmä yhdisti VLT-teleskoopin havainnot valkoisesta kääpiöstä hyvin tarkkoihin radioteleskoopeilla tehtyihin ajoituksiin pulsarista [3]. Näin läheinen kaksoistähti säteilee painovoima-aaltoja ja menettää energiaa. Tämä aiheuttaa kiertoratajakson pienoisen muutoksen. Yleisen suhteellisuusteorian ja muiden, kilpailevien teorioiden ennustukset muutoksen suuruudesta ovat erilaisia.

"Radiohavaintomme olivat niin tarkkoja, että olemme jo kyenneet mittaamaan kahdeksan miljoonasosasekunnin kiertoratajakson muutoksia vuodessa, aivan kuten Einsteinin teoria ennustaa," toteaa Paulo Freire, toinen ryhmän jäsen.

Tämä on vasta tämän kohteen yksityiskohtaisten tutkimusten alku ja tähtitieteilijät tulevat aikaa myöten käyttämään sitä testatakseen yleistä suhteellisuusteoriaa yhä suuremmalla tarkkuudella.

Lisähuomiot

[1] Yleinen suhteellisuusteoria ei ole yhdenmukainen kahdennenkymmenennen vuosisadan toisen suuren teorian, kvanttimekaniikan kanssa. Se myös ennustaa singulariteetteja joissakin tapauksissa, joissa jotkin ominaisuudet pyrkivät äärettömiin lukuarvoihin, kuten mustan aukon keskustassa.

[2] Ensimmäisen kaksoispulsarin, PSR B1913+16 löysivät Joseph Hooton Taylor Jr ja Russell Hulse, joille myönnettiin siitä Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1993. He mittasivat tarkasti tämän merkittävän kohteen ominaisuuksien muutoksia ja osoittivat, että ne vastasivat täsmälleen yleisen suhteellisuusteorian ennustamia gravitaatiosäteilyn energiahävikkejä.

[3] Tämä tutkimus käytti sekä Effelsbergin, Arecibon ja Green Bankin radioteleskooppien että optisten ESO:n VLT-teleskoopin ja William Herschel -teleskoopin keräämää havaintoaineistoa.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tutkimusjulkaisussa “A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit”, kirjoittajinaan John Antoniadis et al. Tutkimusjulkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Science 26. huhtikuuta 2013.

Tutkimusryhmään kuuluvat John Antoniadis (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn, Saksa), Paulo C. C. Freire (MPIfR), Norbert Wex (MPIfR), Thomas M. Tauris (Argelander Institut für Astronomie, Bonn, Saksa; MPIfR), Ryan S. Lynch (McGill University, Montreal, Kanada), Marten H. van Kerkwijk (University of Toronto, Kanada), Michael Kramer (MPIfR; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester, Iso-Britannia), Cees Bassa (Jodrell Bank), Vik S. Dhillon (University of Sheffield, Iso-Britannia), Thomas Driebe (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Bonn, Saksa), Jason W. T. Hessels (ASTRON, Alankomaiden radiotähtitieteen instituutti, Dwingeloo, Alankomaat; Amsterdamin yliopisto, Alankomaat), Victoria M. Kaspi (McGill University), Vladislav I. Kondratiev (ASTRON; Lebedevin fysiikan instituutti, Moskova, Venäjä), Norbert Langer (Argelander Institut für Astronomie), Thomas R. Marsh (University of Warwick, Iso-Britannia), Maura A. McLaughlin (West Virginia University), Timothy T. Pennucci (Department of Astronomy, University of Virginia) Scott M. Ransom (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA), Ingrid H. Stairs (University of British Columbia, Vancouver, Kanada), Joeri van Leeuwen (ASTRON; Amsterdamin yliopisto), Joris P. W. Verbiest (MPIfR), David G. Whelan (Department of Astronomy, University of Virginia).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, vallankumouksellisen ALMA-teleskoopin eurooppalainen yhteistyökumppani. Parhaillaan ESO suunnittelee 39-metrin kokoista optisen/lähi-infrapuna-alueen European Extremely Large -teleskooppia (E-ELT) josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

John Antoniadis
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Bonn, Germany
Puh.: +49-228-525-181
Sähköposti: jantoniadis@mpifr-bonn.mpg.de

Michael Kramer
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Bonn, Germany
Puh.: +49-228-525-278
Sähköposti: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media