Yksi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteista on, että mikä tahansa pyörivä kappale vetää mukanaan itse avaruusajan rakennetta sen läheisyydessä. Tämä tunnetaan nimellä ”kehysten raahaaminen”.

Arjessa kehysten raahaaminen on sekä huomaamatonta että merkityksetöntä, koska vaikutus on niin naurettavan pieni. Koko maapallon pyörimisliikkeen aiheuttaman frame-draggingin havaitseminen vaatii 750 miljoonan dollarin Gravity Probe B:n kaltaisia satelliitteja ja gyroskoopeissa tapahtuvien kulmamuutosten havaitsemista, jotka vastaavat vain yhtä astetta noin sadantuhannen vuoden välein.

Meidän onneksemme maailmankaikkeudessa on monia luonnossa esiintyviä gravitaatiolaboratorioita, joissa fyysikot voivat havainnoida Einsteinin ennustusten toimivuutta hienoisin yksityiskohdin.

Työryhmämme tutkimus, joka julkaistaan tänään Science-lehdessä, paljastaa todisteita kehysten laahaamisesta paljon huomattavammassa mittakaavassa käyttäen radioteleskooppia ja ainutlaatuista paria kompakteja tähtiä, jotka pyörivät toistensa ympärillä huimaa vauhtia.

Tähtien liike olisi hämmentänyt tähtitieteilijöitä Newtonin aikana, sillä ne liikkuvat selvästi vääristyneessä aika-avaruudessa ja vaativat Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian selittämään niiden liikeradat.

Yleinen suhteellisuusteoria on modernin gravitaatioteorian perusta. Se selittää tähtien, planeettojen ja satelliittien tarkan liikkeen ja jopa ajan kulun. Yksi sen vähemmän tunnetuista ennusteista on, että pyörivät kappaleet vetävät avaruusaikaa mukanaan. Mitä nopeammin kappale pyörii ja mitä massiivisempi se on, sitä voimakkaampi tämä vetovoima on.

Yhtä kohdetyyppiä, jonka kohdalla tämä on hyvin merkityksellistä, kutsutaan valkoiseksi kääpiöksi. Ne ovat jäljelle jääneitä ytimiä kuolleista tähdistä, jotka olivat aikoinaan useita kertoja Auringon massaisia, mutta ovat sittemmin kuluttaneet loppuun vetypolttoaineensa.

Mitä jäljelle jää, on kooltaan samankokoinen kuin Maa, mutta satoja tuhansia kertoja massiivisempi. Valkoiset kääpiöt voivat myös pyöriä hyvin nopeasti, pyörimällä minuutin tai kahden välein, eikä 24 tunnin välein kuten Maassa.

Tällaisen valkoisen kääpiön aiheuttama kehäpyörähdys olisi noin 100 miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin Maan.

Tämä kaikki on hienoa, mutta emme voi lentää valkoisen kääpiön luokse ja laukaista satelliitteja sen ympäri. Onneksi luonto on kuitenkin ystävällinen tähtitieteilijöille ja sillä on oma tapansa päästää meidät tarkkailemaan niitä, pulsareiksi kutsuttujen kiertävien tähtien kautta.

Kaksikymmentä vuotta sitten CSIRO:n Parkesin radioteleskooppi löysi ainutlaatuisen tähtiparin, joka koostui valkoisesta kääpiöstä (joka on suunnilleen Maan kokoinen, mutta noin 300 000 kertaa painavampi) ja radiopulsarista (joka on juuri ja juuri kaupungin kokoinen, mutta 400 000 kertaa painavampi).

Valkoisiin kääpiöihin verrattuna pulsarit ovat aivan toista luokkaa. Ne eivät koostu perinteisistä atomeista, vaan tiiviisti yhteen pakkautuneista neutroneista, mikä tekee niistä uskomattoman tiheitä. Lisäksi tutkimuksemme pulsari pyörii 150 kertaa minuutissa.

Tämä tarkoittaa, että 150 kertaa minuutissa tämän pulsarin lähettämien radioaaltojen ”majakkasäde” pyyhkäisee näköalapaikkamme ohi täällä maapallolla. Voimme käyttää tätä kartoittaaksemme pulsarin reitin, kun se kiertää valkoista kääpiötä, ajoittamalla, milloin sen pulssi saapuu teleskooppiimme, ja tietämällä valon nopeuden. Tämä menetelmä paljasti, että nämä kaksi tähteä kiertävät toisiaan alle viidessä tunnissa.

Tämä pari, viralliselta nimeltään PSR J1141-6545, on ihanteellinen gravitaatiolaboratorio. Vuodesta 2001 lähtien olemme vaeltaneet Parkesiin useita kertoja vuodessa kartoittaaksemme tämän systeemin kiertorataa, jossa näkyy lukuisia Einsteinin gravitaatiovaikutuksia.

Kiertoratojen kehityksen kartoittaminen ei ole kärsimättömille, mutta mittauksemme ovat naurettavan tarkkoja. Vaikka PSR J1141-6545 on useiden satojen kvadriljoonien kilometrien päässä (kvadriljoona on miljoona miljardia), tiedämme, että pulsari pyörii 2,5387230404 kertaa sekunnissa ja että sen kiertorata pyörii avaruudessa.

Tämä tarkoittaa, että sen radan taso ei ole kiinteä, vaan se pyörii hitaasti.

Miten tämä systeemi muodostui?

Kun tähtipareja syntyy, massiivisin kuolee ensin, jolloin syntyy usein valkoinen kääpiö. Ennen kuin toinen tähti kuolee, se siirtää ainetta valkoisen kääpiön kumppanilleen.

Kiekko muodostuu, kun tämä aine putoaa kohti valkoista kääpiötä, ja kymmenien tuhansien vuosien aikana se pyörittää valkoista kääpiötä, kunnes se pyörii muutaman minuutin välein.

Harvinaisissa tapauksissa, kuten tässä tapauksessa, toinen tähti voi sitten räjähtää supernovassa, jolloin jäljelle jää pulsari. Nopeasti pyörivä valkoinen kääpiö vetää mukanaan avaruusaikaa, jolloin pulsarin ratataso kallistuu sen mukana. Tämän kallistuman me havaitsimme pulsarin radan kärsivällisen kartoituksen avulla.

Einstein itse ajatteli, että monet hänen ennustuksistaan avaruudesta ja ajasta eivät koskaan olisi havaittavissa. Viime vuosina on kuitenkin tapahtunut vallankumous äärimmäisessä astrofysiikassa, mukaan lukien gravitaatioaaltojen löytyminen ja mustan aukon varjon kuvaaminen maailmanlaajuisella teleskooppiverkostolla. Nämä löydöt tehtiin miljardeja dollareita maksavilla laitteistoilla.

Onneksi yleisen suhteellisuusteorian tutkimisessa on yhä sijaa 50 vuotta vanhoille radioteleskoopeille, kuten Parkesin radioteleskoopille, ja jatko-opiskelijasukupolvien kärsivällisille kampanjoille.

Matthew Bailes, ARC Laureate Fellow, Swinburne University of Technology., Swinburne University of Technology ja Vivek Venkatraman Krishnan, Scientific staff, Max Planck Institute.

Tämä artikkeli on julkaistu uudelleen The Conversation -lehdessä Creative Commons -lisenssillä. Lue alkuperäinen artikkeli.