Mit Hilfe von äußerst präzisen Messungen eines Pulsars, der sich um die Umlaufbahn des Weißen Zwergs dreht, stellten die Astronomen fest, dass die Gravitationskonstante, die die Schwerkraft bestimmt, im gesamten Universum „ermutigend konstant“ ist.
Man hat lange geglaubt, dass die Gravitationskonstante (oder einfach "G") im gesamten Universum gleich ist, genauso wie die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und die Plancksche Konstante bekannte universelle Konstanten sind. Aber wie können wir uns dessen sicher sein?
In der Vergangenheit haben Wissenschaftler die Laser vom Mond reflektiert, um die Entfernung zur Erde zu bestimmen, und näherten sich dabei der exakten Messung von G. Jetzt untersuchten Wissenschaftler mit dem Green Bank-Radioteleskop in West Virginia und dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico das Sonnensystem im Detail und reparierten gleichmäßige Strahlungsblitze erzeugt von einem rotierenden Neutronenstern oder Pulsar, die Tausende von Lichtjahren entfernt sind.
Pulsare sind eine kosmische Uhr unseres Universums. Sie sind die alten Überreste großer Sterne, die erloschen sind, eine Supernova-Explosion überstanden haben und jetzt aus sehr dichtem, degradierendem Material mit einem Durchmesser von weniger als 32 km bestehen. Pulsare haben auch starke Magnetfelder, die extrem kollimierte Strahlen der Radioemission erzeugen können. Jedes Mal, wenn sich der Pulsar dreht, können die polaren Strahlen zur Erde gesendet und in Form von Pulsationen aufgezeichnet werden: So wie ein Blitz eines Leuchtfeuers in einiger Entfernung blitzt. Für die Zeitmessung ist diese Welligkeit ein absoluter Bezugspunkt. Astronomen beobachten diese Objekte als die genauesten Zeitmesser im Universum und konkurrieren mit den fortschrittlichsten Atomuhren, die wir auf der Erde haben.
Durch die Untersuchung eines der speziellen Pulsare namens PSR J1713 + 0747 haben Astronomen nun die genauesten Messungen von G außerhalb des Sonnensystems durchgeführt.
"Die übernatürliche Konstanz dieser herausragenden Überreste lieferte faszinierende Beweise dafür, dass die fundamentale Schwerkraft, das" große G der Physik ", im gesamten Weltraum unverändert bleibt", sagte der Astronom Weiwei Zhu, ein ehemaliger Mitarbeiter der Universität von British Columbia in Kanada, in einer Pressemitteilung des NRAO. "Diese Beobachtung hat wichtige Auswirkungen auf die Kosmologie und einige fundamentale Kräfte der Physik."
Zhu ist der Hauptautor einer neuen Studie, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde.
PSR J1713 + 0747 ist das ideale Labor, um einige der grundlegendsten Werte von Raum, Zeit und Relativität zu untersuchen. Erstens hat es eine einzigartige weite Umlaufbahn um einen Weißen Zwerg. Pulsar benötigt 68 Tage, um einen vollständigen Kreis zu schließen. Es ist auch unglaublich hell - einer der hellsten bekannten Pulsare. Als Doppelstern verliert das System durch Gravitationswellen nur sehr wenig Energie - Phänomene, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt werden.
Ihre weite und stabile Umlaufbahn bedeutet, dass dieser Energieverlust, der extrem klein ist, nur geringe Auswirkungen auf die Umlaufbahn des Pulsars hat, was ihn zu einem Hauptziel für jede Beobachtung der Schwerkraft macht. (Bei einer kompakteren Umlaufbahn würde mehr Energie aufgewendet, um sich unter Verwendung von Gravitationswellen vom System zu trennen. Bei Messungen der Eigenschaften der Pulsarbahn würden Fehler erzeugt.) Somit können wir nun den Gravitationscharakter dieses Sternensystems genau messen. Warum ist das wichtig?
Das Doppelsternsystem des Pulsars und des Weißen Zwergs befindet sich in einer Entfernung von 3750 Lichtjahren von der Erde, und der G-Wert, der nach 21 Jahren Funkbeobachtung erhalten wurde, stimmt fast vollständig mit den genauesten Messungen von G überein, die von unserem Sonnensystem erhalten wurden. Somit scheint (zumindest in diesem Test) G im gesamten bekannten Universum konstant zu sein.
"Die Schwerkraft ist die Kraft, die Sterne, Planeten und Galaxien zusammenhält", sagte der Astronom und Co-Autor Scott Rhans vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Obwohl es auf der Erde permanent zu sein scheint, gibt es in der Kosmologie einige Theorien, in denen angenommen wird, dass sich die Schwerkraft zu einem anderen Zeitpunkt oder in anderen Teilen des Universums ändert."
"Diese neuen und alten Ergebnisse ermöglichen es uns, die Wahrscheinlichkeit von" besonderen "Zeiten oder Orten mit unterschiedlichem Gravitationsverhalten sicher auszuschließen", sagte die Astronomin und Co-Autorin Ingrid Stairs, ebenfalls von der University of British Columbia in Kanada. "Gravitationstheorien, die sich von der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden, treffen oft solche Vorhersagen, und wir haben neue Rahmenbedingungen für die Parameter festgelegt, die diese Theorien beschreiben."
"Die Gravitationskonstante ist eine grundlegende Konstante der Physik, daher ist es wichtig, diese allgemeine Annahme anhand von Objekten an verschiedenen Orten, zu verschiedenen Zeiten und unter verschiedenen Bedingungen zu überprüfen", fügte Zhu hinzu. "Die Tatsache, dass wir sehen, dass sich die Schwerkraft sowohl in unserem Sonnensystem als auch in Systemen ferner Sterne gleich verhält, bestätigt, dass die Gravitationskonstante tatsächlich universell ist." Interessanterweise werden wir in naher Zukunft ein weiteres „Labor der Relativitätstheorie“ erhalten, wenn das globale Programm Event Horizon Telescope (EHT) voraussichtlich Ende dieses Jahres hochpräzise Daten erhält.
EHT ist ein globales Interferometer einer verteilten Radioantenne, das Daten von einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie aufzeichnet, bekannt als Schütze A * (oder Sgr A *). Die Astronomen bereiten sich zum ersten Mal darauf vor, in das Labor für starke Schwerkraft zu blicken, das die bislang extremste bekannte Gravitationsumgebung aufzeigt und möglicherweise die Physik jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie eröffnet.
Es ist interessant zu sehen, ob der Wert von G auch am Rand des Ereignishorizonts konstant bleibt ...
