Уникално трио показа уникални гравитационни ефекти

Звездно трио, състоящо се от две бели джуджета и свръхплътна неутронна звезда, е разположено толкова компактно, че и трите тела могат да се вместят в земната орбита около Слънцето.

Гравитационните ефекти, предизвикани от разположението и свойствата на светилата, са уникални по своя род и затова са заинтересували изследователите, които са ги открили с помощта на радиотелескопа Грийн Банк.

Именно благодарение на такива звездни системи, където вездесъщата гравитация работи в нестандартни условия, астрофизиците и се надяват да разгадаят енигмата за истинската природа на тази сила.

„Тази тройна звезда се явява уникална естествена космическа лаборатория. Наблюденията ѝ ще ни помогнат да открием пропуски в общата теория на относителността на Айнщайн“, коментира откритието Скот Рансъм от Националната радиоастрономическа обсерватория на САЩ (NRAO).

Гравитационното трио е открито случайно. Екипът учени, работещи с радиотелескопа Грийн Банк, търсел пулсари – въртящи се неутронни звезди, които периодично изпускат радиовълни подобно на маяци. В рамките на проекта астрофизиците са открили PSR J0337+1715, отдалечен на 4200 светлинни години от Земята и извършваш около 366 оборота в секунда. Такива обекти, наричани милисекундни пулсари, помагат в изучаването на редки явления, като например неуловимите гравитационни вълни.

Наблюденията показали, че пулсарът се намира на близка орбита около бяло джудже (1,6 земни дни), а тази двойка на свой ред е разположена на една орбита с още едно бяло джудже, малко по-отдалечено (орбита 327 дни).

Осъзнали уникалността на своята находка, учените включили към работата още няколко уреда – радиотелескопа Аресибо в Пуерто Рико (Arecibo Observatory) и радиотелескопа Westerbork Synthesis в Нидерландия, както и няколко космически апарата.

„За първи път откриваме милисекунден пулсар в такава система. Гравитационните смущения, предизвикани от всеки от членовете на космическото трио, са много мощни и чисти, а това значи, че се поддават на точни изчисления“, пояснява Рансъм.

Изчисленията, според авторите на изследването, са направени с безпрецедентна точност. Учените изчислили масата и размерите на светилата с точност стотици метри. В хода на работата са използвани различни методики – от преки наблюдения до компютърно моделиране и математически изчисления.

Така например на първите етапи масата е изчислявана на принципа на Исак Нютон, който изучавал масите в системата Земя–Луна–Слънце. В употреба влезли и новите теории за гравитацията на Айнщайн, но и те не описвали всички ефекти достатъчно пълно.

Като цяло астрофизиците признават, че благодарение на своето откритие се надяват да открият недостатъци в Айнщайновия принцип на еквивалентността на гравитационната и инертната маса. Според тази концепция, ако инертната и гравитационната маса на голямо тяло са равни, то е невъзможно да се определи коя от силите (инерцията или гравитацията) действа на малко тяло.

При това действащите сили в двата случая са пропорционални на инертната и гравитационната маса на тялото. Казано по-просто, гравитационният ефект, оказван на дадено тяло, не зависи от природата и вътрешния състав на това тяло.

„Принципът на еквивалентността на Айнщайн неведнъж е потвърждаван в хода на лабораторни експерименти, но той не се съотнася с квантовата теория. Затова ние изясняваме къде е истината. Ако на Земята всичко работи, то в екстремни условя, каквито наблюдаваме в нашето гравитационно трио, концепцията трябва да е нарушена“, казва Рансъм.

При взрив на свръхнова масивното светило се превръща в свръхплътна неутронна звезда, а част от предишна маса се трансформира в гравитационна енергия, която задържа тялото в единен обем. Според принципа на еквивалентността тази енергия както преди ще въздейства гравитационно така, сякаш тя все още е с маса. Но всички алтернативни теории гласят, че такъв ефект не може да има.

Ако е верен принципът на еквивалентността, то гравитационните ефекти на външното бяло джудже ще бъдат идентични на ефектите на неутронната звезда и близкото до нея бяло джудже. Ако концепцията е невярна за тази система, то ефектите ще се отличават и резултатите от наблюденията ще покажат това.

„Нарушението на концепцията ще означава крах за теорията на относителността на Айнщайн и раждането на нова, по-точна теория на гравитацията“, твърди съавторът на изследването Ингрид Стейрс от университета на Британска Колумбия.

Засега наблюденията и изчисленията продължават, а това означава, че окончателните изводи ще бъдат направени по-късно.

Статията на учените е публикувана в сп. Nature.