Jednym z przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina jest to, że każde wirujące ciało ciągnie za sobą samą strukturę czasoprzestrzeni w swoim sąsiedztwie. Jest to znane jako „przeciąganie ramki”.

W codziennym życiu, przeciąganie ramki jest zarówno niewykrywalne jak i nieistotne, ponieważ efekt jest tak śmiesznie mały. Wykrycie frame-dragging spowodowanego przez cały obrót Ziemi wymaga satelitów takich jak warta 750 milionów dolarów Gravity Probe B, oraz wykrycia zmian kątowych w żyroskopach równoważnych tylko jednemu stopniowi co 100 000 lat lub tak.

Na szczęście dla nas, Wszechświat zawiera wiele naturalnie występujących laboratoriów grawitacyjnych, gdzie fizycy mogą obserwować przewidywania Einsteina w pracy w najdrobniejszych szczegółach.

Badania naszego zespołu, opublikowane dziś w Science, ujawniają dowody na przeciąganie ramki na znacznie bardziej zauważalną skalę, przy użyciu radioteleskopu i unikalnej pary zwartych gwiazd wirujących wokół siebie z zawrotnymi prędkościami.

Ruch tych gwiazd wprawiłby w zakłopotanie astronomów w czasach Newtona, ponieważ wyraźnie poruszają się one w wypaczonej czasoprzestrzeni i wymagają ogólnej teorii względności Einsteina, aby wyjaśnić ich trajektorie.

Ogólna teoria względności jest podstawą współczesnej teorii grawitacji. Wyjaśnia ona precyzyjny ruch gwiazd, planet i satelitów, a nawet przepływ czasu. Jednym z jej mniej znanych przewidywań jest to, że wirujące ciała ciągną za sobą czasoprzestrzeń. Im szybciej obiekt wiruje i im bardziej jest masywny, tym silniejsze jest to przeciąganie.

Jednym z typów obiektów, dla których jest to bardzo istotne, jest biały karzeł. Są to resztki rdzeni martwych gwiazd, które kiedyś miały masę kilka razy większą od masy naszego Słońca, ale od tego czasu wyczerpały swoje paliwo wodorowe.

To, co pozostało, ma rozmiar podobny do Ziemi, ale jest setki tysięcy razy masywniejsze. Białe karły mogą również wirować bardzo szybko, obracając się co minutę lub dwie, a nie co 24 godziny jak Ziemia.

Przeciąganie ramki spowodowane przez takiego białego karła byłoby około 100 milionów razy silniejsze niż ziemskie.

To wszystko jest dobre i dobre, ale nie możemy polecieć do białego karła i wystrzelić satelitów wokół niego. Na szczęście jednak natura jest łaskawa dla astronomów i ma swój własny sposób na umożliwienie nam ich obserwacji, poprzez orbitujące gwiazdy zwane pulsarami.

Dwadzieścia lat temu radioteleskop CSIRO w Parkes odkrył unikalną parę gwiazd składającą się z białego karła (wielkości Ziemi, ale około 300 000 razy cięższego) i radiowego pulsara (wielkości miasta, ale 400 000 razy cięższego).

W porównaniu z białymi karłami, pulsary są w zupełnie innej lidze. Są one zbudowane nie z konwencjonalnych atomów, ale z neutronów ciasno upakowanych razem, co czyni je niewiarygodnie gęstymi. Co więcej, pulsar w naszym badaniu obraca się 150 razy na minutę.

To oznacza, że 150 razy na minutę „promień latarni morskiej” fal radiowych emitowanych przez ten pulsar omiata nasz punkt obserwacyjny tutaj na Ziemi. Możemy to wykorzystać do wyznaczenia ścieżki pulsara, który krąży wokół białego karła, poprzez odmierzanie czasu, kiedy jego impuls dociera do naszego teleskopu i poznanie prędkości światła. Ta metoda ujawniła, że obie gwiazdy okrążają się nawzajem w czasie krótszym niż 5 godzin.

Ta para, oficjalnie nazwana PSR J1141-6545, jest idealnym laboratorium grawitacyjnym. Od 2001 roku wędrowaliśmy do Parkes kilka razy w roku, aby mapować orbitę tego układu, która wykazuje mnóstwo Einsteinowskich efektów grawitacyjnych.

Mapowanie ewolucji orbit nie jest dla niecierpliwych, ale nasze pomiary są śmiesznie precyzyjne. Chociaż PSR J1141-6545 jest oddalony o kilkaset kwadrylionów kilometrów (kwadrylion to milion miliardów), wiemy, że pulsar obraca się 2,5387230404 razy na sekundę, i że jego orbita buja się w przestrzeni.

To oznacza, że płaszczyzna jego orbity nie jest stała, ale zamiast tego powoli się obraca.

Jak powstał ten system?

Gdy rodzą się pary gwiazd, najbardziej masywna z nich umiera jako pierwsza, często tworząc białego karła. Zanim druga gwiazda umrze, przenosi materię do swojego towarzysza białego karła.

Tworzy się dysk, gdy ta materia opada w kierunku białego karła i w ciągu dziesiątek tysięcy lat ożywia białego karła, aż obraca się on co kilka minut.

W rzadkich przypadkach, takich jak ten, druga gwiazda może wybuchnąć w supernowej, pozostawiając za sobą pulsara. Szybko wirujący biały karzeł ciągnie za sobą czasoprzestrzeń, powodując przechylenie płaszczyzny orbity pulsara. To przechylenie jest tym, co zaobserwowaliśmy poprzez nasze cierpliwe mapowanie orbity pulsara.

Einstein sam myślał, że wiele z jego przewidywań dotyczących przestrzeni i czasu nigdy nie będzie obserwowalnych. Ale w ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła rewolucja w ekstremalnej astrofizyce, w tym odkrycie fal grawitacyjnych i zobrazowanie cienia czarnej dziury za pomocą ogólnoświatowej sieci teleskopów. Odkrycia te zostały dokonane przez obiekty warte miliardy dolarów.

Na szczęście wciąż istnieje rola w badaniu ogólnej teorii względności dla 50-letnich radioteleskopów, takich jak ten w Parkes, oraz dla cierpliwych kampanii prowadzonych przez pokolenia absolwentów.

Matthew Bailes, ARC Laureate Fellow, Swinburne University of Technology, Swinburne University of Technology i Vivek Venkatraman Krishnan, personel naukowy, Max Planck Institute.

Ten artykuł został ponownie opublikowany w The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.