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Radio Pulsarは、Binary Einsteinが少なくとも99.99%正しいことを証明します

研究者たちは、アインシュタインの一般相対性理論に挑戦するために16年間の実験を行いました。 国際チームは、世界中の7つの電波望遠鏡を通して、星(パルサーと呼ばれる極端な星のペア)を調べました。 クレジット:マックスプランク電波天文学研究所

アインシュタインが一般相対性理論(GR)を公式化してから、100年以上が経過しました。これは、宇宙の理解に革命をもたらした重力の幾何学的理論です。 しかし、天文学者は、この確立された理論からの逸脱を見つけることを期待して、依然として厳格なテストを受けています。 理由は単純です。GRを超えた物理学の指標は、宇宙に新しいウィンドウを開き、宇宙に関するより深い謎のいくつかを解決するのに役立ちます。

これまでで最も厳しいテストの1つは、ドイツのボンにあるマックスプランク電波天文学研究所(MPIfR)のマイケルクレイマーが率いる天文学者の国際チームによって最近実施されました。 クレイマーと彼の同僚は、世界中の7つの電波望遠鏡を使用して、16年間にわたってユニークなパルサーのペアを観測してきました。 その過程で、彼らは初めてGRによって予測された効果を観察しました。 健康 少なくとも99.99%!

MPIfRの研究者に加えて、クレイマーと彼の同僚は、ジョドレルバンク天体物理学センター(英国)、ARC重力波検出センター(オーストラリア)、海洋など、10か国の機関の研究者が参加しました。研究所。 理論物理学(カナダ)、パリ天文台(フランス)、カリャリ天文台(イタリア)、南アフリカ天文台(SARAO)、オランダ天文台(ASTRON)、アレシボ天文台。

パルサーの高速回転する中性子星

パルサーは急速に回転する中性子星であり、電波の細いビームを掃引します。 クレジット:NASAのゴダードスペースフライトセンター

「ラジオパルサー」は、高度に磁性を帯びた特殊なクラスの高速回転中性子星です。 これらの超高密度オブジェクトは、極から強力な無線ビームを放射し、(急速な回転と組み合わせると)強力なビーコンのような効果を生み出します。 天文学者はパルサーに魅了されています。パルサーは、超小型の物体、磁場、星間物質(ISM)、惑星物理学、さらには宇宙論を支配する物理学に関する豊富な情報を提供するからです。

さらに、強い重力により、天文学者はGRやGRなどの重力理論によって行われた予測をテストできます。 修正ニュートン力学 (MOND)想像できる最も過酷な条件のいくつかの下で。 彼らの研究のために、クレイマーと彼のチームは、地球から2,400光年離れた場所にある「ダブルスター」システムであるPSR J0737-3039 A / Bを調べました。 とも座

このシステムは唯一のラジオです パルサー これまでにバイナリであり、2003年に研究チームのメンバーによって発見されました。 このシステムを構成する2つのパルサーは、1秒あたり44回(A)、2.8秒ごとに1回(B)の高速回転を行い、わずか147分間互いに軌道を回っています。 太陽より約30%大きいですが、直径はわずか約24 km(15マイル)です。 したがって、その強い重力と強い磁場。

これらの特性に加えて、このシステムの速い軌道周期は、重力理論をテストするためのほぼ完璧な実験室になります。 クレイマー教授がMPIfRの最近のプレスリリースで述べたように:

「私たちは圧縮された星のシステムを研究し、非常に強い重力場の存在下で重力の理論をテストするための比類のない実験室です。私たちの喜びに、私たちはアインシュタインの理論の基礎、それが運ぶエネルギーをテストすることができました 重力波、ノーベル賞を受賞したHulse-Taylorパルサーの精度の25倍、重力波検出器で現在可能な精度の1,000倍の精度を備えています。」

ブラックホールの重力場

いて座A *の近くを通過する星S2の経路に関するアーティストの印象。これにより、天文学者は、極端な条件下で一般相対性理論によって行われた予測をテストすることもできます。 クレジット:ESO / M. Kornmeiser

16年間の観測キャンペーンでは、パークス電波望遠鏡(オーストラリア)、グリーンバンク望遠鏡(米国)、南西電波望遠鏡(フランス)、エッフェルベルク100m望遠鏡(ドイツ)、ラヴェル電波望遠鏡(キングダムユナイテッド)など、7つの電波望遠鏡が使用されました。ウェスターボーク合成電波望遠鏡(オランダ)、および超長コアアレイ(米国)。

これらの観測所は、334MHzおよび700MHzから1300〜1700 MHz、1484 MHz、および2520MHzの範囲の無線スペクトルのさまざまな部分をカバーしていました。 そうすることで、彼らはこの連星パルサーから来る光子がその強い重力によってどのように影響を受けるかを見ることができました。 研究の共著者であるバンクーバーのブリティッシュコロンビア大学(UBC)のイングリッドスティアーズ教授は次のように説明しました。

「私たちは、宇宙ビーコン、パルサーによって放出された電波光子の伝播を追跡し、コンパニオンパルサーの強い重力場でそれらの動きを追跡します。宇宙の強い湾曲だけでなく、光がどのように遅れるかを初めて確認します。コンパニオンの周りの時間だけでなく、その光は0.04度の小さな角度で偏向されます。私たちは彼らの発見ができます。このような実験は、これほど高い時空の曲率でこれまでに行われたことはありません。」

オーストラリア連邦科学産業研究機構(CSIRO)の共著者であるディックマンチェスター教授が付け加えたように、これらのようなコンパクトオブジェクトの急速な軌道運動により、GRに関する7つの異なる予測をテストすることができました。 これらには、重力波、光の伝播(「シャピロの遅延と光の曲がり」)、時間の遅れ、および質量エネルギー方程式(E = mc)が含まれます。2)、およびパルサーの軌道運動に対する電磁放射の影響は何ですか。

ロバートC.バードグリーンバンク望遠鏡

ウェストバージニア州のロバートC.バードグリーンバンク望遠鏡(GBT)。 クレジット:GBO / AUI / NSF

「この放射線は、毎秒800万トンの総損失に相当します!」 彼は言った。 「それは多くのように聞こえますが、パルサーの1秒あたりの質量のごく一部(1,000億分の3(!))です。」 研究者たちはまた、パルサーの軌道配向の変化、マーキュリーの軌道で最初に観察された相対論的効果、そしてアインシュタインのGR理論が解決するのに役立った謎の1つを非常に正確に測定しました。

ここでのみ、効果は140,000倍強くなり、チームはパルサーの回転が周囲の時空に与える影響も考慮する必要があることに気づきました。 レンス・ティリング効果、または「フレームをドラッグ」。 研究の別の筆頭著者であるMPIfRのDr.Norbert Weeksも、別のブレークスルーを可能にしました。

「これは、私たちの経験では、パルサーの内部構造を 中性子星。 したがって、私たちの測定により、中性子星の周期の正確な追跡を初めて使用できるようになりました。これは、パルサータイミングと呼ばれる手法で、中性子星の伸長に制約を与えます。」

この実験から得られたもう1つの貴重な結果は、チームが補完的な監視手法を組み合わせて高精度の距離測定値を取得する方法でした。 同様の研究は、過去の不十分な距離推定によってしばしば妨げられてきました。 パルサータイミング技術と正確な干渉測定(およびISM効果)を組み合わせることにより、チームは8%の許容誤差で2,400光年の高解像度の結果を取得しました。

中性子星衝突の新しい観測は、いくつかの既存の理論に挑戦します

2つの融合する中性子星のアーティストのイラスト。 細いビームはガンマ線バーストを表し、波状の時空格子は合併を特徴付ける反対の重力波を表します。 クレジット:NSF / LIGO /ソノマ州立大学/ A。 シモネット

結局、チームの結果はGRと一致しただけでなく、以前は研究できなかった効果を確認することもできました。 パウロ・フレイレのように、別の研究共著者(これもMPIfRから)は次のように述べています。

「私たちの結果は、重力波検出器や事象の地平線望遠鏡など、他の条件で重力をテストしたり、さまざまな効果を確認したりする他の実験研究を補完します。また、トリプルスターシステムのパルサーを使用したタイミング実験など、他のパルサー実験も補完します。 、それは自由落下の普遍性の独立した(そして魅力的な)テストを提供しました。」

「私たちは前例のないレベルの精度に達しました」とKramer教授は結論付けました。 より大きな望遠鏡を使った将来の実験は、さらに進む可能性があり、今後も続くでしょう。 私たちの研究は、そのような実験がどのように行われるべきか、そしてどの正確な効果が今考慮される必要があるかを示しました。 おそらくいつの日か、一般相対性理論からの逸脱が見つかるでしょう。」

彼らの研究を説明する論文が最近ジャーナルに掲載されました X.フィジカルレビュー

当初の投稿 今日の宇宙

この調査の詳細については、以下をご覧ください。

参照:M。Krameretal。による「二重星を使用した強磁場重力試験」。 2021年12月13日 X.フィジカルレビュー
DOI:10.1103 / PhysRevX.11.041050

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