I hjärtat av varje vit dvärgstjärna - det täta stjärnobjekt som finns kvar efter att en stjärna har bränt bort sin bränslereserv av gaser när den närmar sig slutet av sin livscykel - ligger en kvantgåta:när vita dvärgar lägger till massa, de krymper i storlek, tills de blir så små och tätt sammanpressade att de inte klarar sig, kollapsar till en neutronstjärna.

Detta förbryllande förhållande mellan en vit dvärgs massa och storlek, kallas mass-radie-relationen, Teoretiserades först av Nobelprisvinnande astrofysikern Subrahmanyan Chandrasekhar på 1930-talet. Nu, ett team av Johns Hopkins astrofysiker har utvecklat en metod för att observera själva fenomenet med hjälp av astronomiska data som samlats in av Sloan Digital Sky Survey och en färsk datauppsättning som släppts av Gaia Space Observatory. De kombinerade datamängderna gav mer än 3, 000 vita dvärgar för laget att studera.

En rapport om deras resultat, ledd av Hopkins senior Vedant Chandra, är nu i pressen Astrofysisk tidskrift och tillgänglig online på arXiv.

"Mass-radie-relationen är en spektakulär kombination av kvantmekanik och gravitation, men det är kontraintuitivt för oss – vi tror att när ett objekt vinner massa, det borde bli större, säger Nadia Zakamska, en docent vid institutionen för fysik och astronomi som handlett forskarstudenterna. "Teorin har funnits länge, men det som är anmärkningsvärt är att datauppsättningen vi använde är av oöverträffad storlek och oöverträffad noggrannhet. Dessa mätmetoder, som i vissa fall utvecklades för år sedan, Plötsligt fungerar det så mycket bättre och dessa gamla teorier kan äntligen undersökas."

Teamet fick sina resultat med en kombination av mätningar, inklusive främst gravitationsrödförskjutningseffekten, vilket är förändringen av ljusets våglängder från blått till rött när ljuset rör sig bort från ett föremål. Det är ett direkt resultat av Einsteins allmänna relativitetsteori.

"Till mig, Det fina med detta arbete är att vi alla lär oss dessa teorier om hur ljus kommer att påverkas av gravitationen i skolan och i läroböcker, men nu ser vi faktiskt det förhållandet i stjärnorna själva, säger femteårsstudenten Hsiang-Chih Hwang, som föreslog studien och först kände igen gravitationsrödförskjutningseffekten i data.

Teamet var också tvunget att redogöra för hur en stjärnas rörelse genom rymden kan påverka uppfattningen av dess gravitationsrödförskjutning. I likhet med hur en brandbilssiren ändrar tonhöjd efter dess rörelse i förhållande till den som lyssnar, ljusfrekvenserna ändras också beroende på det ljusavgivande föremålets rörelse i förhållande till betraktaren. Detta kallas dopplereffekten, och är i huvudsak ett distraherande "brus" som komplicerar mätningen av gravitationsrödförskjutningseffekten, säger studiebidragsgivare Sihao Cheng, en doktorand på fjärde året.

För att ta hänsyn till variationerna som orsakas av Dopplereffekten, teamet klassificerade vita dvärgar i sitt prov satt av radie. De beräknade sedan ett genomsnitt av rödförskjutningarna av stjärnor av liknande storlek, effektivt bestämma att oavsett var en stjärna själv befinner sig eller var den rör sig i förhållande till jorden, den kan förväntas ha en inneboende gravitationsrödförskjutning av ett visst värde. Se det som att man tar en genomsnittlig mätning av alla stigningar för alla brandbilar som rör sig i ett givet område vid en given tidpunkt – du kan förvänta dig att vilken brandbil som helst, oavsett vilken riktning den rör sig, kommer att ha en inneboende tonhöjd av det genomsnittliga värdet.

Dessa inneboende gravitationsrödförskjutningsvärden kan användas för att studera stjärnor som observeras i framtida datamängder. Forskarna säger att kommande datamängder som är större och mer exakta kommer att möjliggöra ytterligare finjustering av deras mätningar, och att dessa data kan bidra till den framtida analysen av vit dvärgens kemiska sammansättning.

De säger också att deras studie representerar ett spännande framsteg från teori till observerade fenomen.

"Eftersom stjärnan blir mindre när den blir mer massiv, gravitationsrödförskjutningseffekten växer också med massan, " säger Zakamska. "Och det här är lite lättare att förstå – det är lättare att ta sig ur en mindre tät, större föremål än det är att ta sig ur en mer massiv, mer kompakt objekt. Och det är precis vad vi såg i data."

Teamet hittar till och med fångad publik för sin forskning hemma – där de har utfört sitt arbete mitt i coronavirus-pandemin.

"Sättet jag berömde det till min farfar är, du ser i princip att kvantmekanik och Einsteins allmänna relativitetsteori går samman för att producera detta resultat, " säger Chandra. "Han var väldigt upprymd när jag uttryckte det så."