Ett internationellt samarbete av forskare har registrerat den mest exakta bekräftelsen hittills för en av hörnstenarna i Einsteins allmänna relativitetsteori, "det fria fallets universalitet."

Den nya forskningen visar att teorin håller för starkt självgraviterande föremål som neutronstjärnor. Med hjälp av ett radioteleskop, forskare kan mycket noggrant observera signalen som produceras av pulsarer, en typ av neutronstjärna och testa giltigheten av Einsteins gravitationsteori för dessa extrema objekt. Särskilt, teamet analyserade signalerna från en pulsar som heter "PSR J0337+1715' inspelad av det stora radioteleskopet i Nançay, beläget i hjärtat av Sologne (Frankrike).

Principen om fritt falls universalitet säger att två kroppar som tappas i ett gravitationsfält genomgår samma acceleration oberoende av deras sammansättning. Detta demonstrerades först av Galileo som berömt skulle ha tappat föremål med olika massor från toppen av Pisas torn för att verifiera att de båda når marken samtidigt.

Denna princip är också kärnan i Einsteins allmänna relativitetsteori. Dock, några tips som inkonsekvensen mellan kvantmekanik och allmän relativitetsteori, eller gåtan med dominansen av mörk materia och mörk energi i universums sammansättning, har fått många fysiker att tro att generell relativitetsteori kanske inte är, trots allt, den ultimata teorin om gravitation.

Observationerna av Pulsar J0337+1715, som är en neutronstjärna med en stjärnkärna 1,44 gånger solens massa som har kollapsat till en sfär på bara 25 km i diameter, visar att den kretsar runt två vita dvärgstjärnor som har ett mycket svagare gravitationsfält. Resultaten, publiceras idag i tidskriften Astronomi och astrofysik , visa att principen om fritt falls universalitet är korrekt.

Dr Guillaume Voisin från University of Manchester som ledde forskningen sa:"Pulsaren sänder ut en stråle av radiovågor som sveper över rymden. Vid varje varv skapar detta en blixt av radioljus som spelas in med hög noggrannhet av Nançays radioteleskop. När pulsaren rör sig i sin bana, ljusets ankomsttid till jorden förskjuts. Det är noggrann mätning och matematisk modellering, ner till en nanosekunds noggrannhet, av dessa ankomsttider som gör det möjligt för forskare att med utsökt precision sluta sig till stjärnans rörelse.

"Framför allt, det är den unika konfigurationen av det systemet, besläktad med jord-måne-sol-systemet med närvaron av en andra följeslagare (som spelar rollen som solen) mot vilken de två andra stjärnorna "faller" (omloppsbana) som har tillåtit att utföra en stjärnversion av Galileos berömda experiment från Pisas torn. Två kroppar med olika sammansättning faller med samma acceleration i gravitationsfältet som en tredje."

"Pulsaren sänder ut en stråle av radiovågor som sveper över rymden. Vid varje varv skapar detta en blixt av radioljus som spelas in med hög noggrannhet av Nançays radioteleskop. När pulsaren rör sig i sin bana, ljusets ankomsttid till jorden förskjuts. Det är noggrann mätning och matematisk modellering, ner till en nanosekunds noggrannhet, av dessa ankomsttider som gör det möjligt för forskare att med utsökt precision sluta sig till stjärnans rörelse, " säger Dr Guillaume Voisin.

Mätningarna registrerades av ett samarbetsteam från University of Manchester, Paris Observatory—PSL, franska CNRS och LPC2E (Orléans, Frankrike), och Max Planck Institute for Radio Astronomy. Pulsaren kretsar runt två vita dvärgstjärnor, varav en kretsar runt pulsaren på bara 1,6 dagar på ett avstånd ungefär 10 gånger närmare pulsaren än vad planeten Merkurius är från solen. Detta binära system, lite som jorden och månen i solsystemet, kretsar med en tredje stjärna, en vit dvärg med 40 % av solens massa, belägen något längre än avståndet som skiljer jord-månsystemet från solen.

I solsystemet, Lunar-laser avståndsexperimentet har tillåtit att verifiera att både månen och jorden är identiskt påverkade av solens gravitationsfält, som förutspåtts av fritt falls universalitet (omloppsrörelse är en form av fritt fall). Dock, det är känt att vissa avvikelser till universalitet endast kan förekomma för starkt självgraviterande föremål, som neutronstjärnor, det vill säga föremål vars massa väsentligt består av sin egen gravitationsenergi tack vare den berömda Einsteins relation E=mc2. Det nya pulsarexperimentet som utförs av teamet fyller luckan efter solsystemtester där inget föremål är starkt självgraviterande, inte ens solen.

Teamet har visat att pulsarens extrema gravitationsfält inte kan skilja sig med mer än 1,8 miljondelar (med en konfidensnivå på 95%) från förutsägelsen av allmän relativitet. Detta resultat är den mest exakta bekräftelsen på att universaliteten av fritt fall är giltig även i närvaro av ett föremål vars massa till stor del beror på dess eget gravitationsfält, vilket ger ytterligare stöd för Einsteins allmänna relativitetsteori.

Pappret, "Ett förbättrat test av den starka ekvivalensprincipen med pulsaren i ett trippelstjärnsystem, " av Voisin et al, publiceras i Astronomi och astrofysik .