Đã hơn một trăm năm kể từ khi Einstein chính thức hóa lý thuyết tương đối rộng (GR) của mình, lý thuyết hình học về lực hấp dẫn đã cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học vẫn đang phải trải qua nhiều cuộc kiểm tra nghiêm ngặt, với hy vọng tìm ra những sai lệch so với lý thuyết đã được khẳng định chắc chắn này. Lý do rất đơn giản: bất kỳ chỉ số vật lý nào ngoài GR sẽ mở ra các cửa sổ mới trên vũ trụ và giúp giải đáp một số bí ẩn sâu hơn về vũ trụ.

Một trong những cuộc kiểm tra nghiêm ngặt nhất từ ​​trước đến nay đã được thực hiện gần đây bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế do Michael Kramer thuộc Viện Max Planck về Thiên văn vô tuyến (MPIfR) ở Bonn, Đức thực hiện. Sử dụng bảy kính thiên văn vô tuyến từ khắp nơi trên thế giới, Kramer và các đồng nghiệp của ông đã quan sát một cặp sao xung độc nhất vô nhị trong 16 năm. Trong quá trình này, lần đầu tiên họ quan sát thấy các hiệu ứng được dự đoán bởi GRs và với Sức khỏe Ít nhất là 99,99%!

Ngoài các nhà nghiên cứu từ MPIfR, Kramer và các đồng nghiệp của ông còn có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ các tổ chức ở mười quốc gia khác nhau – bao gồm Trung tâm Vật lý Thiên văn Ngân hàng Jodrell (Anh), Trung tâm Phát hiện Sóng hấp dẫn ARC (Úc) và Đại dương Học viện. Đối với Vật lý lý thuyết (Canada), Đài thiên văn Paris (Pháp), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Ý), Đài quan sát thiên văn vô tuyến Nam Phi (SARAO), Viện thiên văn vô tuyến Hà Lan (ASTRON) và Đài thiên văn Arecibo.

Pulsar là những ngôi sao neutron quay nhanh phát ra chùm sóng vô tuyến hẹp. Nhà cung cấp hình ảnh: Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA

“Sao xung vô tuyến” là một lớp đặc biệt của các sao neutron quay nhanh và có từ tính cao. Những vật thể siêu dày đặc này phát ra chùm sóng vô tuyến mạnh mẽ từ các cực của chúng (khi kết hợp với sự quay nhanh của chúng) tạo ra hiệu ứng giống như một ngọn hải đăng mạnh mẽ. Các nhà thiên văn học bị mê hoặc bởi các sao xung vì chúng cung cấp nhiều thông tin về vật lý chi phối các vật thể siêu nhỏ, từ trường, môi trường giữa các vì sao (ISM), vật lý hành tinh và thậm chí cả vũ trụ học.

Ngoài ra, lực hấp dẫn cường độ cao cho phép các nhà thiên văn kiểm tra các dự đoán được đưa ra bởi các lý thuyết hấp dẫn như GR và Động lực học Newton được điều chỉnh (MOND) trong một số điều kiện khắc nghiệt nhất có thể tưởng tượng. Đối với nghiên cứu của họ, Kramer và nhóm của ông đã kiểm tra PSR J0737-3039 A / B, một hệ thống “sao đôi” nằm cách Trái đất 2.400 năm ánh sáng trong chòm sao búp bê.

Hệ thống này là đài duy nhất pulsar nhị phân từ trước đến nay và được phát hiện vào năm 2003 bởi các thành viên của nhóm nghiên cứu. Hai sao xung tạo nên hệ thống này có số vòng quay nhanh — 44 lần mỗi giây (A), cứ 2,8 giây một lần (B) —và quay quanh nhau chỉ trong 147 phút. Mặc dù lớn hơn Mặt trời khoảng 30%, nhưng nó chỉ có đường kính khoảng 24 km (15 mi). Do đó, lực hấp dẫn và từ trường cường độ cao của nó.

Ngoài những đặc tính này, chu kỳ quỹ đạo nhanh của hệ thống này khiến nó trở thành một phòng thí nghiệm gần như hoàn hảo để thử nghiệm các lý thuyết hấp dẫn. Như Giáo sư Kramer đã nói trong một thông cáo báo chí gần đây cho MPIfR:

“Chúng tôi đã nghiên cứu một hệ thống các ngôi sao bị nén và là một phòng thí nghiệm vô song để thử nghiệm các lý thuyết về lực hấp dẫn trong sự hiện diện của các trường hấp dẫn rất mạnh. Thật vui mừng, chúng tôi đã có thể kiểm tra nền tảng của lý thuyết Einstein, năng lượng mà nó mang sóng hấp dẫn, với độ chính xác cao hơn 25 lần so với pulsar Hulse-Taylor từng đoạt giải Nobel và tốt hơn 1.000 lần so với những gì hiện có thể có với máy dò sóng hấp dẫn. ”

Ấn tượng của nghệ sĩ về quỹ đạo của ngôi sao S2 đi qua gần Nhân Mã A *, điều này cũng cho phép các nhà thiên văn kiểm tra các dự đoán do thuyết tương đối rộng đưa ra trong các điều kiện khắc nghiệt. Tín dụng: ESO / M. Kornmeiser

Bảy kính thiên văn vô tuyến đã được sử dụng cho chiến dịch quan sát kéo dài 16 năm, bao gồm Kính viễn vọng vô tuyến Parkes (Úc), Kính viễn vọng Green Bank (Mỹ), Kính viễn vọng vô tuyến Nansai (Pháp), Kính viễn vọng 100m Eiffelberg (Đức), Kính viễn vọng vô tuyến Lovell (Vương quốc Anh), Kính viễn vọng vô tuyến tổng hợp Westerbork (Hà Lan) và Mảng lõi rất dài (Mỹ).

Các đài quan sát này bao phủ các phần khác nhau của phổ vô tuyến, từ 334 MHz và 700 MHz đến 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz và 2520 MHz. Khi làm như vậy, họ có thể thấy các photon đến từ pulsar đôi này bị ảnh hưởng như thế nào bởi lực hấp dẫn mạnh của nó. Như Giáo sư Ingrid Stiers của Đại học British Columbia (UBC) ở Vancouver, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích:

“Chúng tôi theo dõi sự lan truyền của các photon vô tuyến được phát ra bởi một đèn hiệu vũ trụ, một sao xung, và theo dõi chuyển động của chúng trong trường hấp dẫn mạnh của một sao xung đồng hành. Lần đầu tiên chúng tôi thấy ánh sáng bị trì hoãn như thế nào không chỉ bởi độ cong mạnh của không gian- thời gian xung quanh một người bạn đồng hành, nhưng ánh sáng đó cũng bị lệch đi một góc nhỏ 0,04 độ. Chúng tôi có thể khám phá ra họ. Một thí nghiệm như vậy chưa từng được thực hiện trước đây trong độ cong lớn như vậy của không-thời gian. “

Như đồng tác giả, Giáo sư Dick Manchester của Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp và Khoa học Khối thịnh vượng chung của Úc (CSIRO) đã nói thêm, chuyển động quỹ đạo nhanh của các vật thể nhỏ gọn như thế này cho phép họ kiểm tra bảy dự đoán khác nhau về GR. Chúng bao gồm sóng hấp dẫn, sự lan truyền ánh sáng (“Sự chậm trễ của Shapiro và sự bẻ cong của ánh sáng), sự giãn nở thời gian và phương trình khối lượng-năng lượng (E = mc).²), và ảnh hưởng của bức xạ điện từ lên quỹ đạo chuyển động của một pulsar.

Kính viễn vọng Robert C. Bird Green Bank (GBT) ở Tây Virginia. Tín dụng: GBO / AUI / NSF

“Bức xạ này tương đương với một tổn thất tập thể là 8 triệu tấn mỗi giây!” Anh ta nói. “Mặc dù điều đó nghe có vẻ nhiều, nhưng đó là một phần rất nhỏ – 3 phần nghìn tỷ (!) – khối lượng của một sao xung trong một giây.” Các nhà nghiên cứu cũng thực hiện các phép đo rất chính xác về những thay đổi trong định hướng quỹ đạo của các sao xung, một hiệu ứng tương đối tính lần đầu tiên được quan sát thấy với quỹ đạo của Sao Thủy – và một trong những bí ẩn mà lý thuyết GR của Einstein đã giúp giải quyết.

Chỉ ở đây, hiệu ứng này mạnh gấp 140.000 lần, khiến nhóm nghiên cứu nhận ra rằng họ cũng cần xem xét ảnh hưởng của chuyển động quay của sao xung đối với không thời gian xung quanh – hay còn gọi là. Hiệu ứng Lense-Thirring hoặc “kéo khung”. Tiến sĩ Norbert Weeks của MPIfR, một tác giả chính khác của nghiên cứu, cũng cho phép một bước đột phá khác:

“Theo kinh nghiệm của chúng tôi, điều này có nghĩa là chúng tôi cần xem xét cấu trúc bên trong của một pulsar là ngôi sao neutron. Do đó, các phép đo của chúng tôi cho phép chúng tôi lần đầu tiên sử dụng theo dõi chính xác các chu kỳ sao neutron, một kỹ thuật mà chúng tôi gọi là thời gian pulsar để cung cấp các hạn chế về độ mở rộng của sao neutron. “

Một kết quả có giá trị khác từ thí nghiệm này là cách nhóm đã kết hợp các kỹ thuật giám sát bổ sung để thu được các phép đo khoảng cách có độ chính xác cao. Các nghiên cứu tương tự thường bị cản trở bởi các ước tính khoảng cách kém trong quá khứ. Bằng cách kết hợp công nghệ tính thời gian pulsar với các phép đo giao thoa chính xác (và hiệu ứng ISM), nhóm đã thu được kết quả độ phân giải cao 2.400 năm ánh sáng với sai số 8%.

Hình minh họa của nghệ sĩ về hai ngôi sao neutron hợp nhất. Các chùm tia hẹp đại diện cho một vụ nổ tia gamma, trong khi mạng tinh thể không thời gian nhấp nhô biểu thị các sóng hấp dẫn đối lập đặc trưng cho sự hợp nhất. Nhà cung cấp: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonet

Cuối cùng, kết quả của nhóm không chỉ phù hợp với GR mà còn có thể nhìn thấy những hiệu ứng mà trước đây chưa thể nghiên cứu được. Như Paulo Freire, một đồng tác giả nghiên cứu khác (cũng từ MPIfR) bày tỏ:

“Kết quả của chúng tôi bổ sung tốt cho các nghiên cứu thực nghiệm khác nhằm kiểm tra lực hấp dẫn trong các điều kiện khác hoặc xem các hiệu ứng khác nhau, chẳng hạn như máy dò sóng hấp dẫn hoặc Kính thiên văn chân trời sự kiện. Chúng cũng bổ sung cho các thí nghiệm xung khác, chẳng hạn như thí nghiệm xác định thời gian của chúng tôi với một pulsar trong hệ ba sao , nó đã cung cấp một thử nghiệm độc lập (và hấp dẫn) về tính phổ biến của sự rơi tự do. “

“Chúng tôi đã đạt đến mức độ chính xác chưa từng có”, Giáo sư Kramer kết luận. Các thí nghiệm trong tương lai với kính thiên văn lớn hơn có thể và sẽ tiếp tục tiến xa hơn. Công việc của chúng tôi đã chỉ ra cách thức tiến hành các thí nghiệm như vậy và những tác động chính xác nào cần được tính đến ngay bây giờ. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ tìm ra sự sai lệch so với thuyết tương đối rộng ”.

Bài báo mô tả nghiên cứu của họ gần đây đã xuất hiện trên tạp chí X. Đánh giá vật lýVà

Ban đầu được đăng trong vũ trụ ngày nay.

Để tìm hiểu thêm về nghiên cứu này:

Tham khảo: “Các bài kiểm tra trọng lực trường mạnh bằng cách sử dụng sao đôi” của M. Kramer et al. 13 tháng 12 năm 2021, X. Đánh giá vật lý.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050