Een van de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie is dat een ronddraaiend lichaam het weefsel van de ruimtetijd in zijn omgeving meesleurt. Dit staat bekend als “frame-dragging”.

In het dagelijks leven is frame-dragging zowel onwaarneembaar als inconsequent, omdat het effect zo belachelijk klein is. Het detecteren van frame-dragging veroorzaakt door de gehele draaiing van de aarde vereist satellieten zoals de 750 miljoen dollar kostende Gravity Probe B, en de detectie van hoekveranderingen in gyroscopen equivalent aan slechts één graad elke 100.000 jaar of zo.

Gelukkig voor ons, bevat het heelal vele natuurlijk voorkomende zwaartekracht laboratoria waar natuurkundigen Einstein’s voorspellingen aan het werk kunnen zien in exquisiete details.

Het onderzoek van ons team, vandaag gepubliceerd in Science, onthult bewijs van frame-dragging op een veel merkbaardere schaal, met behulp van een radiotelescoop en een uniek paar compacte sterren die met duizelingwekkende snelheden om elkaar heen draaien.

De beweging van deze sterren zou astronomen in Newtons tijd verbijsterd hebben, omdat ze duidelijk in een verwrongen ruimtetijd bewegen, en Einsteins algemene relativiteitstheorie nodig hebben om hun banen te verklaren.

De algemene relativiteit is het fundament van de moderne gravitatietheorie. Zij verklaart de precieze beweging van de sterren, planeten en satellieten, en zelfs het verloop van de tijd. Een van de minder bekende voorspellingen is dat ronddraaiende lichamen de ruimtetijd met zich meeslepen. Hoe sneller een voorwerp ronddraait en hoe massiever het is, des te krachtiger is de trekkracht.

Een type voorwerp waarvoor dit heel relevant is, heet een witte dwerg. Dit zijn de overgebleven kernen van dode sterren die ooit enkele malen zo zwaar waren als onze zon, maar die sindsdien hun waterstofbrandstof hebben verbruikt.

Wat overblijft is ongeveer even groot als de aarde, maar honderdduizenden malen zwaarder. Witte dwergen kunnen ook heel snel ronddraaien, ze roteren elke minuut of twee, in plaats van elke 24 uur zoals de aarde doet.

De frame-dragging die door zo’n witte dwerg wordt veroorzaakt, zou ruwweg 100 miljoen keer zo krachtig zijn als die van de aarde.

Dat is allemaal goed en wel, maar we kunnen niet naar een witte dwerg vliegen en er satellieten omheen lanceren. Maar gelukkig is de natuur de astronomen goed gezind en heeft zij haar eigen manier om ons ze te laten observeren, via rondcirkelende sterren die pulsars worden genoemd.

Twintig jaar geleden ontdekte de Parkes radiotelescoop van CSIRO een uniek stellair paar bestaande uit een witte dwerg (ongeveer zo groot als de aarde, maar ongeveer 300.000 keer zwaarder) en een radiopulsar (ongeveer zo groot als een stad, maar 400.000 keer zwaarder).

Vergeleken met witte dwergen, zijn pulsars van een heel andere orde. Zij zijn niet gemaakt van conventionele atomen, maar van dicht opeengepakte neutronen, waardoor zij een ongelooflijke dichtheid hebben. Bovendien draait de pulsar in onze studie 150 keer per minuut rond. Dat betekent dat 150 keer per minuut een “vuurtorenstraal” van radiogolven, uitgezonden door deze pulsar, langs ons gezichtspunt hier op aarde vliegt. We kunnen dit gebruiken om het pad van de pulsar in zijn baan om de witte dwerg in kaart te brengen, door te timen wanneer zijn puls bij onze telescoop aankomt en de lichtsnelheid te kennen. Deze methode onthulde dat de twee sterren in minder dan 5 uur om elkaar heen draaien.

Dit paar, officieel PSR J1141-6545 genoemd, is een ideaal zwaartekrachtlaboratorium. Sinds 2001 zijn we verschillende keren per jaar naar Parkes afgereisd om de baan van dit systeem in kaart te brengen, dat een veelheid aan Einsteiniaanse gravitatie-effecten vertoont.

Het in kaart brengen van de evolutie van banen is niet voor ongeduldigen, maar onze metingen zijn belachelijk nauwkeurig. Hoewel PSR J1141-6545 enkele honderden quadriljoen kilometers ver weg is (een quadriljoen is een miljoen miljard), weten we dat de pulsar 2,5387230404 keer per seconde ronddraait, en dat zijn baan door de ruimte tuimelt.

Dit betekent dat het vlak van zijn baan niet vast is, maar in plaats daarvan langzaam ronddraait.

Hoe is dit systeem ontstaan?

Wanneer paren van sterren worden geboren, sterft de meest massieve ster het eerst, waarbij vaak een witte dwerg ontstaat. Voordat de tweede ster sterft, brengt hij materie over naar zijn metgezel, de witte dwerg.

Een schijf vormt zich als deze materie naar de witte dwerg valt, en in de loop van tienduizenden jaren brengt dit de witte dwerg op toeren, tot hij om de paar minuten ronddraait.

In zeldzame gevallen zoals deze, kan de tweede ster dan ontploffen in een supernova, een pulsar achterlatend. De snel draaiende witte dwerg sleept de ruimtetijd met zich mee, waardoor het baanvlak van de pulsar kantelt terwijl hij wordt meegesleurd. Deze kanteling is wat wij hebben waargenomen door de baan van de pulsar geduldig in kaart te brengen.

Einstein zelf dacht dat veel van zijn voorspellingen over ruimte en tijd nooit waarneembaar zouden zijn. Maar de afgelopen jaren hebben een revolutie in de extreme astrofysica te zien gegeven, waaronder de ontdekking van zwaartekrachtsgolven en het in beeld brengen van de schaduw van een zwart gat met een wereldwijd netwerk van telescopen. Deze ontdekkingen zijn gedaan door miljarden-dollar faciliteiten.

Gelukkig is er nog steeds een rol in het onderzoeken van algemene relativiteit voor 50-jaar-oude radiotelescopen zoals die in Parkes, en voor geduldige campagnes door generaties van afgestudeerde studenten.

Matthew Bailes, ARC Laureate Fellow, Swinburne University of Technology., Swinburne University of Technology en Vivek Venkatraman Krishnan, Wetenschappelijk medewerker, Max Planck Instituut.

Dit artikel is heruitgegeven uit The Conversation onder een Creative Commons licentie. Lees het originele artikel.