Einsteins förståelse av gravitation, som beskrivs i hans allmänna relativitetsteori, förutspår att alla föremål faller i samma takt, oavsett deras massa eller sammansättning. Denna teori har klarat test efter test här på jorden, men gäller det fortfarande för några av de mest massiva och täta föremålen i det kända universum, en aspekt av naturen som kallas Strong Equivalence Principle? Ett internationellt team av astronomer har gett denna kvardröjande fråga sitt strängaste test någonsin. Deras resultat, publiceras i tidskriften Natur , visa att Einsteins insikter om tyngdkraften fortfarande råder, även i ett av de mest extrema scenarierna som universum kan erbjuda.

Ta bort all luft, och en hammare och en fjäder kommer att falla i samma takt – ett koncept som utforskades av Galileo i slutet av 1500-talet och illustrerade på månen av Apollo 15-astronauten David Scott.

Även om en berggrund av newtonsk fysik, det krävdes Einsteins gravitationsteori för att uttrycka hur och varför det är så. Hittills, Einsteins ekvationer har klarat alla tester, från noggranna laboratoriestudier till observationer av planeter i vårt solsystem. Men alternativ till Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår att kompakta föremål med extremt stark gravitation, som neutronstjärnor, faller lite annorlunda än föremål med mindre massa. Den skillnaden, dessa alternativa teorier förutspår, skulle bero på ett kompakt föremåls så kallade gravitationsbindningsenergi – gravitationsenergin som håller ihop det.

Under 2011, National Science Foundations (NSF) Green Bank Telescope (GBT) upptäckte ett naturligt laboratorium för att testa denna teori under extrema förhållanden:ett trippelstjärnsystem kallat PSR J0337+1715, ligger cirka 4, 200 ljusår från jorden. Detta system innehåller en neutronstjärna i en 1,6-dagars bana med en vit dvärgstjärna, och paret i en 327-dagars bana med en annan vit dvärg längre bort.

"Detta är ett unikt stjärnsystem, " sa Ryan Lynch från Green Bank Observatory i West Virginia, och medförfattare på tidningen. "Vi känner inte till några andra som gillar det. Det gör det till ett unikt laboratorium för att sätta Einsteins teorier på prov."

Sedan upptäckten, trippelsystemet har observerats regelbundet av GBT, Westerbork Synthesis Radio Telescope i Nederländerna, och NSF:s Arecibo-observatorium i Puerto Rico. GBT har tillbringat mer än 400 timmar med att observera detta system, ta data och beräkna hur varje objekt rör sig i förhållande till det andra.

Hur kunde dessa teleskop studera detta system? Den här neutronstjärnan är faktiskt en pulsar. Många pulsarer roterar med en konsistens som konkurrerar med några av de mest exakta atomklockorna på jorden. "Som ett av de känsligaste radioteleskopen i världen, GBT är redo att plocka upp dessa svaga pulser av radiovågor för att studera extrem fysik, " sa Lynch. Neutronstjärnan i detta system pulserar (roterar) 366 gånger per sekund.

"Vi kan redogöra för varje enskild puls av neutronstjärnan sedan vi började våra observationer, ", sa Anne Archibald vid universitetet i Amsterdam och Nederländska institutet för radioastronomi och huvudförfattare på tidningen. "Vi kan säga dess plats inom några hundra meter. Det är ett riktigt exakt spår av var neutronstjärnan har varit och vart den är på väg."

Om alternativen till Einsteins bild av gravitationen var korrekta, då skulle neutronstjärnan och den inre vita dvärgen falla på olika sätt mot den yttre vita dvärgen. "Den inre vita dvärgen är inte lika massiv eller kompakt som neutronstjärnan, och har därför mindre gravitationsbindningsenergi, sa Scott Ransom, en astronom vid National Radio Astronomy Observatory i Charlottesville, Virginia, och medförfattare på tidningen.

Genom noggranna observationer och noggranna beräkningar, teamet kunde testa systemets gravitation med enbart neutronstjärnans pulser. De fann att någon accelerationsskillnad mellan neutronstjärnan och den inre vita dvärgen är för liten för att upptäcka.

"Om det är skillnad, det är inte mer än tre delar på en miljon, ", sa medförfattaren Nina Gusinskaia vid universitetet i Amsterdam. Detta sätter allvarliga begränsningar för alla alternativa teorier till allmän relativitet.

Detta resultat är tio gånger mer exakt än det tidigare bästa gravitationstestet, vilket gör bevisen för Einsteins starka ekvivalensprincip så mycket starkare. "Vi letar alltid efter bättre mätningar på nya platser, så vår strävan att lära sig om nya gränser i vårt universum kommer att fortsätta, avslutade Ransom.