Einsteins teori om generell relativitet har bekräftats ännu en gång, den här gången i vinglingen av en pulsar 25 000 ljusår från jorden. Under 14 år observerade astronomer den snurrande neutronstjärnan PSR J1906 + 0746.
Deras mål? För att studera wobble, eller precession, av två pulsars när de går runt varandra, ett sällsynt fenomen som förutses av allmän relativitet.
Astronomerna, ledda av Gregory Desvignes från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, publicerade sina resultat i 6 september-numret av tidskriften Science. Deras fynd kan hjälpa till att uppskatta antalet av dessa så kallade binära pulsarer i vår galax och hastigheten för neutronstjärnsammanslagningar, som kan producera gravitationsvågor (även förutsagda av relativitet) som kan observeras på jorden.
Pulsars snurrar snabbt neutronstjärnor som strålar strålar av laddade partiklar från deras magnetiska poler. Intensiva magnetfält accelererar partiklarna till nästan ljusets hastighet och skapar strålar av radiovågor som lyser ut i rymden som kosmiska fyrar. Med klockliknande precision roterar pulsars upp till tusentals gånger per sekund, vilket skapar en förutsägbar puls när strålarna sveper över jorden. De döda stjärnornas kompakta kärnor pressar mer massa än vår sol i rymden i en stad och är de mest kompakta föremålen i universum - idealiska testämnen för teorin om generell relativitet.
"Pulsars kan tillhandahålla tyngdkraftsprov som inte kan göras på något annat sätt," sa medförfattaren Ingrid Stairs, från University of British Columbia i Vancouver, i ett uttalande. "Detta är ett vackrare exempel på ett sådant test."
Allmän relativitet, som Albert Einstein först formulerade 1915, beskriver hur materia och energi vrider rummet i rummet för att skapa tyngdkraften. Massiva täta föremål, t.ex. pulsars, kan dramatiskt böja rymdtid. Om två pulsars befinner sig i kretslopp kring varandra, förutspår generell relativitet att de kan skapa en liten vingling när de roterar, som en långsamt snurrande topp. Denna konsekvens av tyngdkraften kallas relativistisk spin-precession.
När astronomer upptäckte PSR J1906 + 0746 2004 såg det ut som nästan alla andra pulsar, med två bestämda, polariserade balkar som var synliga varje rotation. Men när neutronstjärnan observerades en andra gång år senare, dök bara en stråle upp. Genom att söka igenom observationer från 2004 till 2018, bestämde Desevignes team strålens försvinnande orsakades av pulsars förgång.
Med hjälp av de 14 åren med data utvecklade de en modell som sträcker sig över 50 år och förutsägde exakt försvinnandet och återuppträdandet av båda strålarna från precession. När de jämförde modellen med observation, matchade precessionsgraden, med bara 5% osäkerhet. Uppgifterna var i perfekt överensstämmelse med Einsteins teori.
"Experimentet tog oss lång tid att slutföra," sade Michael Kramer, chef för Max Planck-institutets grundläggande fysik inom forskningsavdelningen för radioastronomi, i ett uttalande. "Att vara tålamod och flitig har verkligen lönat sig."
