Teori relativitas umum melewati sejumlah tes yang ketat

Para peneliti melakukan percobaan 16 tahun untuk menantang teori relativitas umum Einstein. Tim internasional melihat bintang – sepasang bintang ekstrem yang disebut pulsar – melalui tujuh teleskop radio di seluruh dunia. Kredit: Institut Max Planck untuk Astronomi Radio

Relativitas umum melewati serangkaian tes ketat yang ditetapkan oleh sepasang bintang ekstrem.

Lebih dari 100 tahun setelah Albert Einstein mempresentasikan teori gravitasinya, para ilmuwan di seluruh dunia melanjutkan upaya mereka untuk menemukan kekurangan dalam relativitas umum. Mengamati setiap penyimpangan dari relativitas umum akan menjadi penemuan besar yang akan membuka jendela ke fisika baru di luar pemahaman teoretis kita tentang alam semesta saat ini.

“Kami telah mempelajari sistem bintang terkompresi dan merupakan laboratorium yang tak tertandingi untuk menguji teori gravitasi di hadapan medan gravitasi yang sangat kuat,” kata pemimpin tim peneliti Michael Kramer dari Institut Max Planck untuk Radio Astronomi (MPIfR) di Bonn, Jerman. Landasan teori Einstein adalah energi yang dibawanya gelombang gravitasi25 kali lebih baik dari pemenang Hadiah Nobel Holz Taylor pulsar, dan 1.000 kali lebih baik daripada yang saat ini mungkin dilakukan dengan detektor gelombang gravitasi.” Dia menjelaskan bahwa pengamatan tidak hanya konsisten dengan teori, “tetapi kami juga dapat melihat efek yang tidak dapat dipelajari sebelumnya.”

Ingrid Stears dari University of British Columbia di Vancouver memberikan contoh: “Kami mengikuti propagasi foton radio yang dipancarkan oleh suar kosmik, pulsar, dan melacak gerakan mereka dalam medan gravitasi kuat dari pulsar pendamping.

Kita melihat untuk pertama kalinya bagaimana cahaya ditunda tidak hanya oleh kelengkungan ruang-waktu yang kuat di sekitar pendamping, tetapi juga bahwa cahaya dibelokkan oleh sudut kecil 0,04 derajat yang dapat kita deteksi. Eksperimen seperti itu belum pernah dilakukan sebelumnya dalam kelengkungan ruang-waktu yang begitu tinggi.”

Tarian bintang. Animasi sistem pulsar ganda PSR J0737-3039 A/B dan garis pandangnya dari Bumi. Sistem – yang terdiri dari dua pulsar radioaktif – “berada di tepi” seperti yang terlihat dari Bumi, yang berarti bahwa kemiringan bidang orbit relatif terhadap garis pandang kita hanya 0,6 derajat.

Dikenal sebagai “bintang ganda”, laboratorium kosmik ini ditemukan oleh anggota tim pada tahun 2003. Ini terdiri dari dua pulsar radio yang mengorbit satu sama lain hanya dalam 147 menit dengan kecepatan sekitar satu juta km/jam. Salah satu pulsar berputar sangat cepat, sekitar 44 kali per detik. Pendamping masih muda dan memiliki periode rotasi 2,8 detik. Gerakan mereka di sekitar satu sama lain dapat digunakan sebagai penguji gravitasi yang hampir sempurna.

Dick Manchester dari badan sains nasional Australia, CSIRO, menjelaskan: “Gerakan orbit yang cepat dari benda-benda padat seperti ini – yang sekitar 30% lebih besar dari Matahari, tetapi hanya berdiameter sekitar 24 km – memungkinkan kita untuk menguji banyak prediksi yang berbeda dari umum. relativitas – Tujuh total! Selain gelombang gravitasi, akurasi kami memungkinkan kami untuk menyelidiki efek propagasi cahaya, seperti apa yang disebut “penundaan Shapiro” dan pembengkokan cahaya.Kami juga mengukur efek “pelebaran waktu” yang membuat jam berjalan lebih lambat di medan gravitasi.

Kita bahkan perlu mengambil persamaan terkenal Einstein E = mc² diperhitungkan ketika mempertimbangkan efek radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh pulsar yang berputar cepat pada gerakan orbit. Radiasi ini setara dengan kehilangan massa 8 juta ton per detik! Meskipun kedengarannya sangat banyak, itu adalah pecahan kecil – 3 bagian per seribu miliar (!) – dari massa pulsar per detik.”

Waktu tunda Shapiro. Animasi pengukuran tunda waktu Shapiro dalam pulsar ganda. Ketika pulsar yang berputar cepat mengorbit di sekitar pusat massa bersama, foton yang dipancarkan tersebar di sepanjang ruang-waktu melengkung dari pulsar yang terperangkap dan dengan demikian tertunda.

Para peneliti juga mengukur – dengan akurasi satu bagian per juta (!) – bahwa orbit berubah arah, efek relativistik juga diketahui dari orbit Merkurius, tetapi di sini 140 ribu kali lebih kuat. Mereka menyadari bahwa pada tingkat presisi ini mereka juga perlu mempertimbangkan efek rotasi pulsar pada ruangwaktu di sekitarnya, yang “ditarik” dengan pulsar. Norbert Weeks dari MPIfR, penulis utama studi lainnya, menjelaskan: “Para fisikawan menyebutnya efek Lense-Thirring atau hambatan bingkai. Dalam percobaan kami, ini berarti kami perlu mempertimbangkan struktur internal sebuah pulsar a bintang neutron. Oleh karena itu, pengukuran kami memungkinkan kami untuk pertama kalinya menggunakan pelacakan yang tepat dari siklus bintang neutron, teknik yang kami sebut waktu pulsar untuk memberikan batasan pada ekstensi bintang neutron.”

Teknik waktu pulsar dikombinasikan dengan pengukuran interferometri sistem yang tepat untuk menentukan jarak dengan pencitraan resolusi tinggi, menghasilkan nilai 2.400 tahun cahaya dengan margin kesalahan hanya 8%. Anggota tim Adam Fiedler, dari Swinburne University di Australia yang bertanggung jawab atas bagian percobaan ini, menyoroti: “Ini adalah kombinasi dari berbagai teknik pemantauan pelengkap yang menambah nilai maksimum percobaan. Studi serupa sering terhambat di masa lalu dengan pengetahuan terbatas tentang jarak sistem ini”. Ini tidak terjadi di sini, di mana, selain waktu pulsar dan interferometri, informasi yang diperoleh dari gaya dari medium antarbintang juga dipertimbangkan dengan cermat. Bill Coles dari University of California San Diego setuju: “Kami mengumpulkan semua informasi yang mungkin tentang sistem dan mengekstraksi gambaran yang sepenuhnya konsisten, yang melibatkan fisika dari berbagai bidang, seperti fisika nuklir, gravitasi, antarbintang, plasma Fisika dan lainnya. Ini sangat tidak biasa.”

“Hasil kami melengkapi studi eksperimental lain yang menguji gravitasi dalam kondisi lain atau melihat efek yang berbeda, seperti detektor gelombang gravitasi atau Event Horizon Telescope. Mereka juga melengkapi eksperimen pulsar lainnya, seperti eksperimen waktu kami dengan pulsar dalam sistem bintang tiga. , yang memberikan ujian independen (dan hebat) tentang universalitas jatuh bebas,” kata Paulo Freire, juga dari MPIfR.

Michael Kramer menyimpulkan: “Kami telah mencapai tingkat akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Eksperimen masa depan dengan teleskop yang lebih besar dapat dan akan terus berlanjut. Pekerjaan kami telah menunjukkan bagaimana eksperimen semacam itu harus dilakukan dan efek tepat mana yang harus diperhitungkan sekarang. . mungkin kita akan menemukan penyimpangan dari relativitas umum suatu hari nanti…”

Untuk informasi lebih lanjut tentang penelitian ini, lihat Tantangan Teori Terbesar Einstein dalam Eksperimen 16 Tahun – Menguji Relativitas Umum dengan Bintang Ekstrim.

Referensi: “Tes gravitasi medan kuat menggunakan bintang ganda” oleh M. Kramer et al. 13 Desember 2021, X. review fisik.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050