Einsteins allmänna relativitetsteori har tålt 100 års experimentell granskning. Dock, dessa test begränsar inte hur väl de mycket starka gravitationsfält som produceras av sammanslagna neutronstjärnor lyder denna teori. Ny, mer sofistikerade tekniker kan nu söka efter avvikelser från allmän relativitet med en aldrig tidigare skådad känslighet. Forskare vid Max Planck-instituten för gravitationell fysik och för radioastronomi studerade två främsta verktyg för att testa tyngdkraftsregimet med starka fält-pulsartiming och gravitationsvågsobservationer-och visade hur kombination av dessa metoder kan sätta alternativa teorier om allmän relativitet till testa.

Bara nyligen, neutronstjärnor har observerats genom gravitationella vågor. Den 17 augusti, 2017, LIGO-Virgo-detektornätverket mätte gravitationella vågor från sammanslagningen av två neutronstjärnor. Dessa exotiska föremål består av otroligt tät materia; en typisk neutronstjärna väger upp till dubbelt så mycket vår sol men har en diameter på bara 20 kilometer. I år är det 50-årsjubileum för den första observationen av neutronstjärnor, som pulsarer. Den extremt täta materiens exakta natur har förblivit ett mysterium i årtionden.

Författarna undersökte teorier om tyngdkraft där de starka gravitationsfälten inom neutronstjärnor skiljer sig från dem som förutses av allmän relativitet. Denna starka fältavvikelse gör att binära system utstrålar energi och smälter samman snabbare än i allmän relativitet-ett beteende som bör ses i neutronstjärnobservationer.

"Gravitationsaccelerationen vid en neutronstjärnas yta är ungefär 2 × 1011 gånger jordens, vilket gör dem till utmärkta föremål för att studera Einsteins allmänna relativitet och alternativa teorier inom starkfältregimen, "förklarar Dr Lijing Shao, huvudförfattare till studien. "I en systematisk undersökning med pulsar timing -teknik, vi kunde sätta begränsningar på en klass av alternativa gravitationsteorier som för första gången i detalj visar hur de beror på fysiken i den extremt täta materia de innehåller. "Detta kodas som" statens ekvation "för neutronstjärnor som är ännu osäker.

Shao som var postdoc vid Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) när han arbetade med projektet och skrev uppsatsen flyttade till Max Planck Institute for Radio Astronomy i september 2017. Han och hans kollegor studerade elva möjliga tillståndsekvationer för fem binära-pulsarsystem, var och en av dem en kombination av en neutronstjärna och en vit dvärg. De upptäckte att de nuvarande bästa begränsningarna för modifierad gravitation från binära pulsarer har luckor som gravitationsvågsdetektorer kan fylla. "Under den andra observationskörningen har LIGO och Virgo redan bevisat att de är tillräckligt känsliga för att upptäcka binära neutronstjärnor, och deras känslighet kommer att förbättras ytterligare under de närmaste åren när Advanced LIGO och Virgo -konfigurationen uppnås, "säger doktoranden Noah Sennett, tidningens andra författare. "LIGO-Virgo-detektorerna kan snart upptäcka binära neutronstjärnsystem med lämpliga massor som kan förbättra de begränsningar som ställs av binära-pulsartester för vissa statliga ekvationer och därmed sätta Einsteins allmänna relativitet och alternativa teorier till ett kvalitativt nytt test, säger professor Alessandra Buonanno, chef för divisionen Astrofysisk och kosmologisk relativitet vid AEI i Potsdam och medförfattare till tidningen.

Framtida gravitationsvågdetektorer som Einstein-teleskopet kommer att ytterligare förbättra dessa tester och så småningom stänga klyftan i de nuvarande begränsningarna. Kompletterande tester av starkfältets gravitation kommer att bli verklighet inom en snar framtid.