Testarea relativității generale în câmp gravitațional puternic

Câmpurile gravitaționale foarte puternice prezente în apropierea găurilor negre, în special găurile negre supermasive care sunt considerate nuclee galactice active și quasarii mai activi, aparțin unui câmp de cercetare activă intensă și permit testarea relativității generale. Observările acestor quasari și nucleele galactice active sunt dificile, iar interpretarea observațiilor depinde în mare măsură de modelele astrofizice, altele decât relativitatea generală sau teoriile fundamentale concurente ale gravitației, dar sunt calitativ în concordanță cu conceptul găurii negre așa cum este modelat în relativitatea generală.

Pulsari binari

(Impresie artistică a pulsarului PSR J0348+0432 și companionul său pitica albă care emite unde gravitaționale.)

Pulsarii sunt stele neutronice în rotație care emit pulsuri radio regulate pe măsură ce se rotesc. Ca atare, acționează ca ceasuri care permit o monitorizare foarte precisă a mișcărilor lor orbitale. Observările pulsarilor pe orbită în jurul altor stele au demonstrat că toate precesiile periapsis substanțiale care nu pot fi luate în considerare în mod clasic, pot fi explicate prin utilizarea relativității generale. De exemplu, pulsarul binar Hulse-Taylor PSR B1913+16 (o pereche de stele neutronice din care una este detectată ca un pulsar) are o precesie observată de peste 4° arc pe an (deviere periastrică per orbită de numai 10^-6). Această precesie a fost utilizată pentru a calcula masele componentelor.

Similar cu modul în care atomii și moleculele emit radiații electromagnetice, o masă gravitațională care este în stare de tip quadrupol sau vibrații de ordin superior, sau este asimetrică și rotativă, poate emite unde gravitaționale. Aceste unde gravitaționale se prezice că vor călători cu viteza luminii. De exemplu, planetele care orbitează Soarele pierd constant energie prin radiații gravitaționale, dar acest efect este atât de mic, încât este puțin probabil că va fi observat în viitorul apropiat (Pământul emite radiații gravitaționale de aproximativ 200 de wați).

Radiația undelor gravitaționale a fost dedusă din binarul Hulse-Taylor (și alți pulsari binari). Sincronizarea exactă a impulsurilor arată că stelele orbitează numai aproximativ conform legilor lui Kepler: în timp, acestea se apropie în spirală treptat una față de cealaltă, demonstrând o pierdere de energie în strânsă concordanță cu energia prezisă radiată de undele gravitaționale. Pentru descoperirea primului pulsar binar și măsurarea decăderii sale orbitale datorită emisiei de unde gravitaționale, Hulse și Taylor au obținut Premiul Nobel pentru Fizică în 1993 .

Un „pulsar dublu” descoperit în 2003, PSR J0737-3039, are o precesie periastronică de 16,90° pe an; spre deosebire de binarul Hulse-Taylor, ambele stele neutronice sunt detectate ca pulsari, permițând o precizie a celor doi membri ai sistemului. Datorită acestui fapt, orbita strânsă, faptul că sistemul este aproape de margine și viteza transversală foarte scăzută a sistemului, așa cum este văzută de pe Pământ, J0737-3039 oferă de departe cel mai bun sistem pentru teste puternice în domeniul relativității generale cunoscut până acum. Se observă mai multe efecte relativiste distincte, inclusiv decăderea orbitală ca în sistemul Hulse-Taylor. După observarea sistemului timp de doi ani și jumătate, au fost posibile patru teste independente de relativitate generală, cea mai precisă (întârzierea Shapiro) confirmând predicția generală a relativității în intervalul 0,05% (cu toate acestea, schimbarea periastronului pe orbită este de numai aproximativ 0,0013 % dintr-un cerc și, prin urmare, nu este un test de relativitate de ordin superior).

În 2013, o echipă internațională de astronomi a raportat noi date de la observarea unui sistem pitică albă-pulbere PSR J0348+0432, în care au fost capabili să măsoare o schimbare în perioada orbitală de 8 milioane de secunde pe an și a confirmat predicțiile RG într-un regim de câmpuri gravitaționale extreme care nu au fost niciodată cercetate, dar există încă unele teorii concurente care ar fi de acord cu aceste date.

Detectarea directă a undelor gravitaționale

Un număr de detectori cu unde gravitaționale au fost construiți în scopul detectării directe a undelor gravitaționale generate de astfel de evenimente astronomice, cum ar fi fuziunea a două stele neutronice sau a găurilor negre. În februarie 2016, echipa Advanced LIGO a anunțat că a detectat direct undele gravitaționale de la o fuziune stelară cu gaura neagră, cu detectări suplimentare anunțate în iunie 2016, iunie 2017 și august 2017.

Relativitatea generală prezice undele gravitaționale, ca și orice teorie a gravitației în care schimbările în câmpul gravitațional se propagă la o viteză finită. Deoarece undele gravitaționale pot fi detectate direct, este posibil să le folosim pentru a învăța despre Univers. Aceasta este astronomia undelor gravitaționale. Astronomia undelor gravitaționale poate testa relativitatea generală prin verificarea faptului că undele observate sunt de forma prezisă (de exemplu, ele au doar două polarizări transversale) și verificând că găurile negre sunt obiectele descrise de soluțiile ecuațiilor câmpului Einstein.

„Aceste observatii uimitoare sunt confirmarea unei multitudini de lucrari teoretice, incluzand teoria relativitatii generale a lui Einstein, care prezice undele gravitationale”, afirma fizicianul Stephen Hawking.

Deplasarea spre roșu gravitațională

Deplasarea spre roșu gravitațională în lumina de la steaua S2 care orbitează gaura neagră supermasivă Sagittarius A* în centrul Căii Lactee a fost măsurat cu Very Large Telescope folosind instrumentele GRAVITY, NACO și SIFONI.

Principiul puternic de echivalență

Principiul puternic de echivalență al relativității generale impune ca universalitatea căderii libere să se aplice chiar și corpurilor cu auto-gravitație puternică. Testele directe ale acestui principiu folosind corpurile sistemului solar sunt limitate de autogravitația slabă a corpurilor, iar testele folosind binari pulsar-pitică albă au fost limitate de tragerea gravitațională slabă a Căii Lactee. Odată cu descoperirea unui sistem triplu stele numit PSR J0337 + 1715, situat la aproximativ 4.200 de ani-lumină de la Pământ, principiul puternic de echivalență poate fi testat cu o precizie ridicată. Acest sistem conține o stea neutronică într-o orbită de 1.6 zile cu o stea albă pitică, iar perechea într-o orbită de 327 de zile, cu un alt pitic alb mai departe. Acest sistem permite un test care compară modul în care tragerea gravitațională a piticei albe exterioră afectează pulsarul, care are o autogravitație puternică, și pitica albă interioară. Rezultatul arată că accelerațiile pulsarului și ale companionului său pitica albă diferă în mod fracțional cu nu mai mult de 2,6×10^-6.

Include texte traduse și adaptate din Wikipedia