Ett internationellt team av astrofysiker ledd av den australiensiske professorn Matthew Bailes, från ARC Center of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav), har visat spännande nya bevis för "frame-dragging" - hur en himlakropps snurrande vrider rum och tid - efter att ha spårat ett exotiskt stjärnpars omloppsbana i nästan två decennier. Uppgifterna, vilket är ytterligare bevis för Einsteins teori om allmän relativitet, publiceras idag tidskriften Vetenskap .

För mer än ett sekel sedan, Albert Einstein publicerade sin ikoniska teori om allmän relativitet – att gravitationskraften uppstår från krökningen av rum och tid och att objekt, som solen och jorden, ändra denna geometri. Framsteg inom instrumentering har lett till en flod av nyare (Nobelprisvinnande) vetenskap från fenomen längre bort kopplade till allmän relativitet. Upptäckten av gravitationsvågor tillkännagavs 2016; den första bilden av en svart håls skugga och stjärnor som kretsar kring det supermassiva svarta hålet i mitten av vår egen galax publicerades bara förra året.

För nästan 20 år sedan, ett team ledd av Swinburne University of Technologys professor Bailes – chef för ARC Center of Excellence in Gravitational Wave Discovery (OzGrav) – började observera två stjärnor som roterar runt varandra i häpnadsväckande hastigheter med CSIRO Parkes 64-meters radioteleskop. Den ena är en vit dvärg, jordens storlek men 300, 000 gånger dess densitet; den andra är en neutronstjärna som, medan endast 20 kilometer i diameter, är cirka 100 miljarder gånger jordens densitet. Systemet, som upptäcktes i Parkes, är ett relativistiskt underverk som går under namnet "PSR J1141-6545."

Innan stjärnan exploderade (blev en neutronstjärna), för en miljon år sedan, den började svälla upp och kastade sin yttre kärna som föll på den vita dvärgen i närheten. Detta fallande skräp fick den vita dvärgen att snurra snabbare och snabbare, tills dess dag endast mättes i minuter.

1918 (tre år efter att Einstein publicerade sin teori), De österrikiska matematikerna Josef Lense och Hans Thirring insåg att om Einstein hade rätt borde alla roterande kroppar "släpa" själva rymdtiden med sig. I vardagen, effekten är minimal och nästan omöjlig att upptäcka. Tidigare detta århundrade, det första experimentella beviset för denna effekt sågs i gyroskop som kretsade runt jorden, vars orientering drogs i riktning mot jordens snurr. En snabbt snurrande vit dvärg, som den i PSR J1141-6545, drar rymdtiden 100 miljoner gånger så starkt!

En pulsar i omloppsbana runt en sådan vit dvärg ger en unik möjlighet att utforska Einsteins teori i en ny ultrarelativistisk regim.

Huvudförfattare till den aktuella studien, Dr. Vivek Venkatraman Krishnan (från Max Planck Institute for Radio Astronomy—MPIfR) fick den föga avundsvärda uppgiften att reda ut alla de konkurrerande relativistiska effekterna i systemet som en del av sin doktorsexamen. vid Swinburne University of Technology. Han märkte att om han inte tillät en gradvis förändring av orienteringen av omloppsplanet, Allmän relativitet var ingen mening.

MPIfR:s Dr. Paulo Friere insåg att bilddragning av hela omloppsbanan kunde förklara deras lutande omloppsbana och teamet presenterar övertygande bevis till stöd för detta i dagens tidskriftsartikel – det visar att allmän relativitet lever och mår bra, uppvisar ännu en av dess många förutsägelser.

Resultatet är särskilt tilltalande för teammedlemmarna Bailes, Willem van Straten (Auckland University of Tech) och Ramesh Bhat (ICRAR-Curtin) som har vandrat ut till Parkes 64m-teleskop sedan början av 2000-talet, tålmodigt kartlägga omloppsbanan med det yttersta syftet att studera Einsteins universum. "Detta gör alla sena nätter och tidiga morgnar värda besväret, " sa Bhat.

Expertkommentar:

Huvudförfattare Vivek Venkatraman Krishnan, Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR):"Först, stjärnparet verkade uppvisa många av de klassiska effekterna som Einsteins teori förutspådde. Vi märkte sedan en gradvis förändring i orienteringen av omloppsplanet."

"Pulsarer är kosmiska klockor. Deras höga rotationsstabilitet gör att varje avvikelse från den förväntade ankomsttiden för dess pulser förmodligen beror på pulsarens rörelse eller på de elektroner och magnetfält som pulserna möter. Pulsartiming är en kraftfull teknik där vi använd atomklockor vid radioteleskop för att uppskatta ankomsttiden för pulserna från pulsaren till mycket hög precision. Pulsarens rörelse i dess omloppsbana modulerar ankomsttiden, därigenom möjliggöra dess mätning."

Dr. Paulo Freire:"Vi postulerade att detta kan vara, åtminstone delvis, på grund av den så kallade 'frame-dragging' som all materia utsätts för i närvaro av en roterande kropp som förutspåddes av de österrikiska matematikerna Lense och Thirring 1918."

Professor Thomas Tauris, Aarhus Universitet:"I ett fantastiskt par, den första stjärnan som kollapsar roterar ofta snabbt på grund av efterföljande massöverföring från sin följeslagare. Tauris simuleringar hjälpte till att kvantifiera storleken på den vita dvärgens spinn. I detta system dras hela omloppsbanan runt av den vita dvärgens spinn, som är felinriktad med omloppsbanan."

Dr Norbert Wex, Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR):"En av de första bekräftelserna på frame-dragging använde fyra gyroskop i en satellit i omloppsbana runt jorden, men i vårt system är effekterna 100 miljoner gånger starkare."

Evan Keane (SKA Organisation):"Pulsarer är superklockor i rymden. Superklockor i starka gravitationsfält är Einsteins drömlaboratorier. Vi har studerat en av de mest ovanliga av dessa i detta binära stjärnsystem. Behandling av de periodiska ljuspulserna från pulsaren som tickarna på en klocka kan vi se och lösa ut många gravitationseffekter när de ändrar omloppskonfigurationen, och ankomsttiden för klock-tick-pulserna. I det här fallet har vi sett Lens-Thirring-precession, en förutsägelse av allmän relativitet, för första gången i något stjärnsystem."

Willem van Straten (AUT):"Efter att ha uteslutit en rad potentiella experimentella fel, vi började misstänka att interaktionen mellan den vita dvärgen och neutronstjärnan inte var så enkel som man hittills antagit."