• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Einsteins relativitetsteori, kritiskt för GPS, ses i avlägsna stjärnor

    Det spännande systemet som kallas 4U 1916-053 innehåller två stjärnor i en anmärkningsvärt nära omloppsbana. Den ena är kärnan av en stjärna som har fått sina yttre lager avskalade, lämnar en stjärna som är mycket tätare än solen. Den andra är en neutronstjärna, ett ännu tätare föremål som skapas när en massiv stjärna kollapsar i en supernovaexplosion. Neutronstjärnan (grå) visas i denna konstnärs avtryck i mitten av en skiva av het gas som dras bort från dess följeslagare (vit stjärna till vänster). Kredit:Spectrum:NASA/CXC/University of Michigan/N. Trueba et al.; Illustration:NASA/CXC/M. Weiss

    Vad gör Albert Einstein, Global Positioning System (GPS), och ett par stjärnor 200, 000 biljoner miles från jorden har gemensamt?

    Svaret är en effekt från Einsteins allmänna relativitetsteori som kallas "gravitationsrödförskjutningen, " där ljus skiftas till rödare färger på grund av gravitationen. Med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory, astronomer har upptäckt fenomenet i två stjärnor som kretsar runt varandra i vår galax omkring 29, 000 ljusår (200, 000 biljoner miles) bort från jorden. Även om dessa stjärnor är mycket avlägsna, gravitationsrödförskjutningar har påtagliga effekter på det moderna livet, eftersom forskare och ingenjörer måste ta hänsyn till dem för att möjliggöra exakta positioner för GPS.

    Medan forskare har hittat obestridliga bevis på gravitationella rödförskjutningar i vårt solsystem, det har varit utmanande att observera dem i mer avlägsna föremål i rymden. De nya Chandra-resultaten ger övertygande bevis för gravitationella rödförskjutningseffekter i en ny kosmisk miljö.

    Det spännande systemet som kallas 4U 1916-053 innehåller två stjärnor i en anmärkningsvärt nära omloppsbana. Den ena är kärnan av en stjärna som har fått sina yttre lager avskalade, lämnar en stjärna som är mycket tätare än solen. Den andra är en neutronstjärna, ett ännu tätare föremål som skapas när en massiv stjärna kollapsar i en supernovaexplosion. Neutronstjärnan (grå) visas i denna konstnärs avtryck i mitten av en skiva av het gas som dras bort från dess följeslagare (vit stjärna till vänster).

    Dessa två kompakta stjärnor är bara cirka 215, 000 mil ifrån varandra, ungefär avståndet mellan jorden och månen. Medan månen kretsar runt vår planet en gång i månaden, den täta följeslagningsstjärnan i 4U 1916-053 piskar runt neutronstjärnan och fullbordar en hel bana på bara 50 minuter.

    I det nya verket om 4U 1916-053, teamet analyserade röntgenspektra – det vill säga, mängderna röntgenstrålar vid olika våglängder – från Chandra. De fann den karakteristiska signaturen för absorptionen av röntgenljus av järn och kisel i spektra. I tre separata observationer med Chandra, data visar en kraftig minskning av den detekterade mängden röntgenstrålar nära de våglängder där järn- eller kiselatomerna förväntas absorbera röntgenstrålningen. Ett av de spektra som visar absorption av järn - dipparna till vänster och höger - ingår i huvudgrafiken. En ytterligare grafik visar ett spektrum med absorption av kisel. I båda spektra visas data i grått och en datormodell i rött.

    Dock, våglängderna för dessa karakteristiska signaturer av järn och kisel skiftades till längre, eller rödare våglängder jämfört med laboratorievärdena som finns här på jorden (visas med blå, vertikal linje för varje absorptionssignatur). Forskarna fann att förskjutningen av absorptionsegenskaperna var densamma i var och en av de tre Chandra-observationerna, och att den var för stor för att kunna förklaras med rörelse bort från oss. Istället drog de slutsatsen att det orsakades av gravitationsrödförskjutning.

    Hur hänger detta ihop med General Relativity och GPS? Som förutspåtts av Einsteins teori, Klockor under tyngdkraften går i en långsammare takt än klockor sett från ett avlägset område som upplever svagare tyngdkraft. Det betyder att klockor på jorden som observeras från satelliter som kretsar i bana går långsammare. För att ha den höga precision som behövs för GPS, denna effekt måste tas med i beräkningen, annars kommer det att finnas små skillnader i tid som skulle läggas snabbt, beräkna felaktiga positioner.

    Alla typer av ljus, inklusive röntgenstrålar, påverkas också av gravitationen. En analogi är att en person springer uppför en rulltrappa som går ner. När de gör detta, personen tappar mer energi än om rulltrappan stod stilla eller gick upp. Tyngdkraften har en liknande effekt på ljus, där en förlust i energi ger en lägre frekvens. Eftersom ljus i ett vakuum alltid färdas med samma hastighet, förlusten av energi och lägre frekvens gör att ljuset, inklusive signaturer av järn och kisel, skifta till längre våglängder.

    Detta är det första starka beviset för att absorptionssignaturer förskjuts till längre våglängder av gravitationen i ett par stjärnor som har antingen en neutronstjärna eller ett svart hål. Starka bevis för gravitationella rödförskjutningar i absorption har tidigare observerats från ytan av vita dvärgar, med våglängdsförskjutningar typiskt bara omkring 15 % av det för 4U 1916-053.

    Forskare som använder Chandra-data har hittat bevis för en effekt som förutspåtts av Einstein som kallas gravitationsrödförskjutning i ett par kretsande stjärnor över galaxen. Tidigare, astronomer hittade obestridliga bevis för detta fenomen i vårt solsystem, men det har varit utmanande att observera det i mer avlägsna föremål. Chandra-data visar denna effekt i spektra, eller mängder röntgenstrålar över våglängderna 4U 1916-053. Förskjutningar av signaturerna för järn och kisel ses. Detta system innehåller en neutronstjärna och en följeslagningsstjärna i en anmärkningsvärt nära omloppsbana. Kredit:NASA/CXC/University of Michigan/N. Trueba et al.

    Forskare säger att det är troligt att en gasatmosfär som täcker skivan nära neutronstjärnan (visad i blått) absorberade röntgenstrålarna, producerar dessa resultat. (Denna atmosfär är inte relaterad till utbuktningen av röd gas i den yttre delen av skivan som blockerar ljus från den inre delen av skivan en gång per omlopp.) Storleken på förskjutningen i spektrat gjorde det möjligt för teamet att beräkna hur långt denna atmosfär är borta från neutronstjärnan, använda allmän relativitet och anta en standardmassa för neutronstjärnan. De fann att atmosfären ligger 1, 500 miles från neutronstjärnan, ungefär halva avståndet från Los Angeles till New York och motsvarande endast 0,7 % av avståndet från neutronstjärnan till följeslagaren. Den sträcker sig troligen över flera hundra mil från neutronstjärnan.

    I två av de tre spektra finns det också bevis för absorptionssignaturer som har flyttats till ännu rödare våglängder, motsvarande ett avstånd på endast 0,04 % av avståndet från neutronstjärnan till följeslagaren. Dock, dessa signaturer detekteras med mindre tillförsikt än de som är längre bort från neutronstjärnan.

    Forskare har tilldelats ytterligare Chandra-observationstid under det kommande året för att studera detta system mer i detalj.

    En artikel som beskriver dessa resultat publicerades den 10 augusti, 2020 års nummer av The Astrofysisk tidskrift .


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com