Az eddigi legdurvább helyen tesztelték Einsteint

Az eddigi legkeményebb próbát is kiállta Einstein általános relativitáselmélete: a csillagászok egy neutroncsillagból és egy fehér törpéből álló rendszerben ellenőrizték a gravitáció természetét leíró elméletet.

A megfigyelt különleges égi páros egyik tagja szokatlanul nagy tömegű neutroncsillag, amely körül egy fehér törpe kering. Egy neutroncsillag hihetetlenül erős gravitációs tere minden eddiginél extrémebb körülmények közt teszi lehetővé a relativitáselmélet ellenőrzését. A fizikusok ugyanis arra számítanak, hogy Einstein elmélete valahol felmondja majd a szolgálatot. Ennek így kell lennie, mert az elmélet összeegyeztethetetlen a kvantummechanikával. De hol a határ? Meddig érvényes a klasszikus elméletnek számító relativitáselmélet? Úgy tűnik, hogy egy neutroncsillag-fehér törpe pár még az elmélet érvényességi határán belül van.

Fantáziarajz a szoros kettősről. A neutroncsillag keskeny nyalábokban sugároz, ezeknek a Föld felé fordulása okozza a tengelyforgás periódusában a szabályosan ismétlődő rádióimpulzusokat, a pulzárjelenséget. A kettős rendszer spirális sűrűséghullámokat kelt a környező anyagban

A szoros kettős rendszert az amerikai Nemzeti Tudományos Alap (NSF) Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatóriuma (NRO) Green Bank-i rádiótávcsövével fedezték fel, majd több nagy távcsővel is vizsgálták az optikai tartományban. A rádiócsillagászati megfigyeléseket az Arecibói Obszervatórium 300 méteres antennájával és a németországi Effelsbergi Obszervatórium 100 méteres műszerével folytatták. Megállapították, hogy a rendszer 7000 fényév távol van tőlünk. Az újonnan felfedezett pulzár, a PSR J0348+0432 jelű, gyorsan forgó neutroncsillag tömege éppen kétszer akkora, mint a Napé. Fehér törpe kísérőjével két és fél óránként megkerülik egymást, vagyis valóban nagyon szoros rendszerről van szó.

A 2,01 naptömegű PSR J0348+0432 jelű objektum a második pulzár, amelyiknek sikerült pontosan meghatározni a tömegét. A számítás hibája a fehér törpe keringése alapos megfigyelésének köszönhetően 0,04 naptömeg. Ezzel szemben a fehér törpe tömege 0,172 naptömeg, itt a mérés pontossága 0,003 naptömeg. A szokatlanul nagy és pontosan meghatározott tömeg azért jelentős, mert minél nagyobb a tömeg és minél szorosabb a rendszer, annál erőteljesebbek a relativisztikus effektusok. A szoros rendszerben a pulzár 30 km/s sebességgel kering a közös tömegközéppont körül, a 11,7-szer kisebb tömegű fehér törpe keringési sebessége viszont 354 km/s.

Az általános relativitáselmélet értelmében a gyorsuló - tehát az egymás körül keringő - tömegek gravitációs hullámokat bocsátanak ki. A rendszer ennek következtében energiát veszít, emiatt a két égitest közelebb kerül egymáshoz, vagyis Kepler törvénye értelmében egyre gyorsabban keringenek egymás körül. Szélsőséges esetben a periódus csökkenése kimutatható. (Ez első alkalommal két amerikai csillagásznak, Russell Alan Hulse-nek és Joseph Hooton Taylornak sikerült, akik egy 1974-ben felfedezett kettőspulzárnál mutatták ki a periódus relativitáselmélettel összhangban álló csökkenését, felfedezésükért 1993-ban fizikai Nobel-díjat kaptak.)

A PSR J0348+0432 pulzárt vizsgáló nemzetközi kutatócsoport két éven át figyelte a rendszert. A két kompakt objektum egymás körüli keringése miatt a pulzár által (a rendkívül gyors tengely körüli forgása következtében körülbelül 39 ezredmásodpercenként) kibocsátott rádióimpulzusok néha sűrűsödnek (amikor a pulzár keringése során közeledik felénk), míg máskor ritkulnak (amikor a fehér törpe mozog felénk, a pulzár pedig távolodik). Ez a keringési periódus nagyon pontos mérését teszi lehetővé. Megállapították, hogy a 2,46 órás keringési idő évente 8,6 milliomod másodperccel rövidül. Ami a legfontosabb: ez a perióduscsökkenés csupán 5%-kal tér el az általános relativitáselmélet által jósolt értéktől. Sőt, mivel a mérés hibahatára 18%, ezért úgy is fogalmazhatunk, hogy a periódus változása bőven a mérés hibáján belül megegyezik a relativitáselmélet által jelzett értékkel.

Valójában a John Antoniadis (Rádiócsillagászati Max Planck Intézet, Bonn) vezetésével dolgozó kutatók azt remélték, hogy a rendszer szélsőséges körülményei között sikerül kimutatniuk valamilyen eltérést a relativitáselmélet előrejelzésétől. Einstein elmélete azonban még ilyen extrém viszonyok között is jól vizsgázott. Ez elsősorban azoknak a fizikusoknak jó hír, akik érzékeny műszereikkel a gravitációs hullámok közvetlen kimutatásán fáradoznak. Ugyanakkor a pulzár-fehér törpe pár vizsgálatában részt vevő csillagászok rámutatnak, hogy eredményeik a csillagfejlődés végállapotainak megértéséhez is közelebb vihetnek. (A neutroncsillag és a fehér törpe egyaránt a csillagfejlődés végállapota, az előbbi a nagyobb, az utóbbi a kisebb tömegű csillagok fejlődésének a végállomása.)

A tömeg meghatározásának további érdekessége, hogy új alsó határt ad a neutroncsillagok tömegére. A degenerált gáz szerkezetére vonatkozó elméletek alapján J. Robert Oppenheimer és George Volkoff még 1939-ben arra a következtetésre jutottak, hogy a neutroncsillagok tömege nem lehet 0,7 naptömegnél nagyobb. Később az újabb elméletek alapján végzett becslések az alsó határt 1,5-3,0 naptömegre tolták ki. Az alsó határt a másik ismert neutroncsillag-fehér törpe pár (PSR J1614-2230) 1,97 naptömegre emelte, majd a most vizsgált rendszer még egy hajszállal magasabbra tolta.