Bildkredit: NRAO
Teoretiserad av Einstein under nästan ett sekel har fysiker funnit bevis för att stödja teorin om att tyngdkraften rör sig med ljusets hastighet. Variationer i hur bilden av kvasaren böjdes stod för denna tyngdhastighet.
Genom att utnyttja en sällsynt kosmisk inriktning har forskare gjort den första mätningen av hastigheten med vilken tyngdkraften förökas, vilket ger ett numeriskt värde till en av de sista ostörda grundläggande konstanterna i fysik.
"Newton trodde att gravitationskraften var omedelbar. Einstein antog att det rörde sig med ljusets hastighet, men fram till nu hade ingen mätat det, ”sa Sergei Kopeikin, en fysiker vid University of Missouri-Columbia.
"Vi har fastställt att gravitationens utbredningshastighet är lika med ljusets hastighet inom en noggrannhet på 20 procent," sade Ed Fomalont, en astronom vid National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Charlottesville, VA. Forskarna presenterade sina resultat vid American Astronomical Society's möte i Seattle, WA.
Landmärkesmätningen är viktig för fysiker som arbetar med enhetliga fältteorier som försöker kombinera partikelfysik med Einsteins allmänna relativitetsteori och elektromagnetiska teori.
"Vår mätning sätter några starka gränser för de teorier som föreslår extra dimensioner, såsom superstringsteori och brantteorier," sade Kopeikin. "Att känna till tyngdkraften kan ge ett viktigt test av existensen och kompaktiteten för dessa extra dimensioner," tillade han.
Superstring teori föreslår att de grundläggande partiklarna i naturen inte är meningsfulla, utan snarare otroligt små slingor eller strängar, vars egenskaper bestäms av olika vibrationssätt. Branes (ett ord härrörande från membran) är flerdimensionella ytor, och vissa nuvarande fysiska teorier föreslår rymdtidsklänningar inbäddade i fem dimensioner.
Forskarna använde National Science Foundation: s Very Long Baseline Array (VLBA), ett kontinentbrett radioteleskopsystem, tillsammans med det 100 meter långa radioteleskopet i Effelsberg, Tyskland, för att göra en extremt exakt observation när planeten Jupiter passerade nästan in framför en ljus kvasar den 8 september 2002.
Observationen registrerade en mycket liten "böjning" av radiovågorna som kommer från bakgrundskvasaren av gravitationen av Jupiter. Böjningen resulterade i en liten förändring av kvasarens uppenbara position på himlen.
"Eftersom Jupiter rör sig runt solen beror den exakta mängden böjning något på hastigheten med vilken tyngdekraften sprider sig från Jupiter," sade Kopeikin.
Jupiter, den största planeten i solsystemet, passerar bara tillräckligt nära till radiovågens väg från en lämpligt ljus kvasar ungefär en gång per decennium för att en sådan mätning skulle kunna göras, säger forskarna.
Den himmelinriktning en gång i ett decennium var den sista i en kedja av händelser som gjorde det möjligt att mäta tyngdkraften. De andra inkluderade ett chansmöte mellan de två forskarna 1996, ett genombrott i teoretisk fysik och utvecklingen av specialiserade tekniker som möjliggjorde den extremt exakta mätningen.
"Ingen hade försökt att mäta tyngdkraften tidigare för de flesta fysiker hade antagit att det enda sättet att göra det var att upptäcka gravitationsvågor," erinrade Kopeikin. 1999 utvidgade Kopeikin emellertid Einsteins teori för att inkludera gravitationella effekter av en rörlig kropp på ljus och radiovågor. Effekterna berodde på tyngdkraften. Han insåg att om Jupiter rörde sig nästan framför en stjärna eller radiokälla, kunde han testa sin teori.
Kopeikin studerade Jupiters förutsedda omloppsbana under de kommande 30 åren och upptäckte att jätteplaneten skulle passera tillräckligt nära framför kvasaren J0842 + 1835 2002. Han insåg dock snabbt att effekten på kvasarens uppenbara position på himlen kunde hänföras till gravitationens hastighet skulle vara så liten att den enda observationstekniken som kunde mäta den var Very Long Baseline Interferometry (VLBI), den teknik som ingår i VLBA. Kopeikin kontaktade sedan Fomalont, en ledande expert inom VLBI och en erfaren VLBA-observatör.
"Jag insåg genast vikten av ett experiment som kunde göra den första mätningen av en grundläggande konstant av naturen," sa Fomalont. "Jag bestämde att vi var tvungna att ge detta vårt bästa skott," tillade han.
För att få den nödvändiga nivån av precision lägger de två forskarna till Effelsberg-teleskopet till sin observation. Ju bredare separationen mellan två radioteleskopantenner är, desto större är upplösningskraften eller förmågan att se fina detaljer som kan uppnås. VLBA innehåller antenner på Hawaii, det kontinentala USA och St. Croix i Karibien. En antenn på andra sidan Atlanten tillförde ännu mer upplösningskraft.
"Vi var tvungna att göra en mätning med ungefär tre gånger större noggrannhet än någon någonsin hade gjort, men vi visste i princip att det kunde göras," sa Fomalont. Forskarna testade och förfinade sina tekniker i ”torra körningar”, och väntade sedan på att Jupiter skulle göra sitt pass framför kvasaren.
Väntan inkluderade betydande nagelbitar. Utrustningsfel, dåligt väder eller elektromagnetisk storm på Jupiter själv kunde ha saboterat observationen. Lyckan hölls dock och forskarnas observationer vid en radiofrekvens på 8 GigaHertz gav tillräckligt med bra data för att kunna mäta dem. De uppnådde en precision som var lika med bredden på ett människohår sett från 250 mil bort.
”Vårt huvudmål var att utesluta en oändlig hastighet för tyngdkraften, och vi gjorde det ännu bättre. Vi vet nu att tyngdens hastighet förmodligen är lika med ljusets hastighet, och vi kan med säkerhet utesluta all hastighet för tyngdkraften som är över dubbelt så hög som ljuset, sade Fomalont.
De flesta forskare, sade Kopeikin, kommer att bli lättade över att tyngdkraften överensstämmer med ljusets hastighet. ”Jag tror att detta experiment kastar nytt ljus på grundläggande principer om generell relativitet och representerar den första av många fler studier och observationer av gravitation som för närvarande är möjliga på grund av VLBI: s enormt höga precision. Vi har mycket mer att lära oss om denna spännande kosmiska kraft och dess relation till de andra krafterna i naturen, ”sa Kopeikin.
Detta är inte första gången som Jupiter har spelat en roll i att producera en mätning av en grundläggande fysisk konstant. År 1675 gjorde Olaf Roemer, en dansk astronom som arbetade vid Parisobservatoriet, den första ganska exakta bestämningen av ljusets hastighet genom att observera förmörkelser av en av Jupiters månar.
Originalkälla: NRAO-nyhetsmeddelande
