Medzinárodná spolupráca vedcov poskytla doteraz najpresnejšie potvrdenie jedného zo základných kameňov Einsteinovej všeobecnej teórie relativity, takzvanej „univerzálnosti voľného pádu“ v gravitačnom poli.

Portá Phys upozornil na nový výskum astrofyzikov, ktorý potvrdzuje jeden zo základných princípov Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Tím vo svojej štúdii ukázal, že teória takzvanej „univerzálnosti voľného pádu“ platí pre silne gravitujúce objekty, ako sú napríklad isté typy rotujúcich neutrónových hviezd, nazývané aj pulzary.

Teória, ktorú sa snažil demonštrovať už Galileo Galilei

Aby mohli astrofyzici skúmať teóriu univerzálnosti voľného pádu, zamerali sa na pulzary, ktoré pozorovali pomocou rádioteleskopov. Konkrétne sa tím zameral na pulzar označený ako PSR J0337 + 1715, ktorý bol sledovaný veľkým rádioteleskopom Nançay, nachádzajúcom sa v centre regiónu Sologne vo Francúzku.

Zobraziť celú galériu (3)

Observatórium Nançay. Zdroj: Wikipedia

Zásada univerzálnosti voľného pádu uvádza, že dve telesá padajúce v gravitačnom poli, podliehajú rovnakému zrýchleniu nezávisle od ich zloženia. Prvýkrát to výborne demonštroval Galileo Galilei, ktorý vyhodil z vrchu šikmej veže v Pise objekty rôznych hmotností, aby si overil teóriu. Tento princíp je tiež jadrom Einsteinovej teórie všeobecnej relativity.

Niektoré náznaky, ako napríklad nekonzistentnosť medzi kvantovou mechanikou a všeobecnou relativitou alebo hlavolam dominancie temnej hmoty a temnej energie v zložení vesmíru, viedli mnohých fyzikov k presvedčeniu, že všeobecná teória relativita nemusí byť koniec koncov aj finálnou teóriou gravitácie. Tieto tvrdenia preto bolo potrebné overiť.

Pulzar J0337 + 1715 je jedným z najvhodnejších pre pozorovania univerzálnosti voľného pádu

Pulzar J0337 + 1715 je neutrónová hviezda s jadrom, ktorého hmotnosť dosahuje 1,44-násobok hmotnosti Slnka, pričom počas supernovy sa zrútil do gule s priemerom iba 25 km. Jeho pozorovania ukazujú, že obieha okolo dvoch bielych trpaslíkov, ktoré majú omnoho slabšie gravitačné pole. Prvý obieha pulzar s periódou 1,6 dňa. Druhý trpaslík je o niečo viac vzdialený s periódou obehu 327 dní.

Zobraziť celú galériu (3)

Systém pulzara J0337 + 1715, ktorý je obiehaný dvoma bielymi trpaslíkmi. Zdroj: Nature

Guillaume Voisin z univerzity v Manchestri, ktorý viedol výskum uviedol, že pulzar vyžaruje lúč rádiových vĺn, ktoré prechádzajú priestorom.

Pri každom svojom obehu vytvára „záblesk“ rádiového lúča, ktorý je zaznamenaný s vysokou presnosťou pomocou rádiového teleskopu Nançay. Zároveň, keď sa pulzar pohybuje po svojej obežnej dráhe, čas príchodu tohto lúča na Zem je posunutý.

Dôkladné meranie a matematické modelovanie týchto príchodov s presnosťou na úrovni nanosekúnd umožňuje vedcom odvodiť s dokonalou presnosťou pohyb pulzara. Jeho jedinečná konfigurácia systému, podobná systému Zem-Mesiac-Slnko s prítomnosťou druhého spoločníka (hrajúceho úlohu Slnka), ku ktorému padajú ďalšie dve hviezdy, umožnil astrofyzikom napodobniť známu verziu slávneho Galileovho experimentu.

Merania a pozorovania, ktoré zaplnili medzeru v pozorovaní nášho solárneho systému

V tomto systéme padajú dva objekty rôznych zložení s rovnakým zrýchlením do gravitačného poľa tretieho. Mesiac aj Zem sú rovnako ovplyvnené gravitačným poľom Slnka ako predpovedá univerzálnosť voľného pádu, nakoľko orbitálny pohyb je vlastne istá forma voľného pádu.

Je však známe, že niektoré odchýlky od univerzálnosti voľného pádu sa môžu vyskytnúť iba v prípade silných gravitačných objektov, ako sú neutrónové hviezdy.

Zobraziť celú galériu (3)

Obrázok vystihujúci pád dvoch bielych trpaslíkov do gravitačného poľa pulzara PSRJ0337+1715. Zdroj: Bill Saxton/NRAO/AUI/NSF

Ide totižto o objekty, ktorých hmotnosť je značne ovplyvnená vlastnou gravitačnou energiou podliehajúcou známemu vzťahu E = mc². Nový experiment s pulzarmi tak zaplnil medzeru v experimentoch s naším solárnym systémom, ktorý neobsahuje dostatočne silný gravitačný objekt, akým nie je dokonca ani Slnko.

Tím astrofyzikov tak dospel k záveru, že extrémne gravitačné pole pulzaru sa nemôže líšiť od predpovede všeobecnej teórie relativity so spoľahlivosťou na úrovni 95 %. Výsledok je preto najpresnejším potvrdením, že univerzálnosť voľného pádu je platná aj v prítomnosti objektu, ktorého hmotnosť je zväčša spôsobená vlastným gravitačným poľom. Zároveň tak potvrdzuje aj Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity.