Źródło zdjęcia: NRAO
Teoretyzowani przez Einsteina przez prawie wiek, fizycy znaleźli dowody na poparcie teorii, że siła grawitacji porusza się z prędkością światła. Różnice w sposobie wygięcia obrazu kwazara wynikały z tej prędkości grawitacji.
Korzystając z rzadkiego kosmicznego wyrównania, naukowcy dokonali pierwszego pomiaru prędkości, z jaką rozprzestrzenia się siła grawitacji, podając wartość liczbową jednej z ostatnich niezmierzonych podstawowych stałych fizyki.
„Newton uważał, że siła grawitacji jest natychmiastowa. Einstein założył, że porusza się z prędkością światła, ale do tej pory nikt go nie zmierzył - powiedział Siergiej Kopeikin, fizyk z University of Missouri-Columbia.
„Ustaliliśmy, że prędkość propagacji grawitacji jest równa prędkości światła z dokładnością do 20 procent”, powiedział Ed Fomalont, astronom z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) w Charlottesville, Wirginia. Naukowcy przedstawili swoje odkrycia na spotkaniu American Astronomical Society w Seattle w stanie Waszyngton.
Przełomowy pomiar jest ważny dla fizyków pracujących nad ujednoliconymi teoriami pola, które próbują połączyć fizykę cząstek z ogólną teorią względności Einsteina i teorią elektromagnetyczną.
„Nasze pomiary nakładają silne ograniczenia na teorie, które proponują dodatkowe wymiary, takie jak teoria superstrun i teorie brane” - powiedział Kopeikin. „Znajomość prędkości grawitacji może stanowić ważny test istnienia i zwartości tych dodatkowych wymiarów” - dodał.
Teoria superstrun sugeruje, że podstawowe cząstki natury nie są punktowe, lecz raczej niewiarygodnie małe pętle lub struny, których właściwości są określone przez różne tryby wibracji. Branes (słowo pochodzące z błon) to wielowymiarowe powierzchnie, a niektóre współczesne teorie fizyczne proponują branże czasoprzestrzenne osadzone w pięciu wymiarach.
Naukowcy wykorzystali Very Long Baseline Array (VLBA), ogólnoeuropejski system radioteleskopu, wraz ze 100-metrowym radioteleskopem w Effelsberg w Niemczech, aby dokonać niezwykle precyzyjnej obserwacji, gdy planeta Jowisz przeszła prawie przed jasnym kwazarem 8 września 2002 r.
Obserwacja zarejestrowała bardzo niewielkie „zgięcie” fal radiowych pochodzących z kwazara tła pod wpływem grawitacji Jowisza. Wygięcie spowodowało niewielką zmianę widocznej pozycji kwazara na niebie.
„Ponieważ Jowisz porusza się wokół Słońca, dokładna wielkość zgięcia zależy nieznacznie od prędkości, z jaką grawitacja rozprzestrzenia się z Jowisza”, powiedział Kopeikin.
Naukowcy twierdzą, że Jowisz, największa planeta w Układzie Słonecznym, przechodzi wystarczająco blisko ścieżki fal radiowych z odpowiednio jasnego kwazara około raz na dekadę.
Niebiańskie wyrównanie raz na dziesięć lat było ostatnim z serii wydarzeń, które umożliwiły pomiar prędkości grawitacji. Inne obejmowały przypadkowe spotkanie dwóch naukowców w 1996 r., Przełom w fizyce teoretycznej i rozwój specjalistycznych technik, które umożliwiły dokonanie niezwykle precyzyjnych pomiarów.
„Nikt wcześniej nie próbował mierzyć prędkości grawitacji, ponieważ większość fizyków założyła, że jedynym sposobem na to jest wykrycie fal grawitacyjnych” - wspomina Kopeikin. Jednak w 1999 r. Kopeikin rozszerzył teorię Einsteina, aby uwzględnić efekty grawitacyjne poruszającego się ciała na światło i fale radiowe. Efekty zależały od prędkości grawitacji. Uświadomił sobie, że gdyby Jowisz poruszał się prawie przed gwiazdą lub źródłem radiowym, mógłby przetestować swoją teorię.
Kopeikin badał przewidywaną orbitę Jowisza przez następne 30 lat i odkrył, że gigantyczna planeta przeleci wystarczająco blisko przed kwazarem J0842 + 1835 w 2002 roku. Szybko jednak zdał sobie sprawę, że wpływ na widoczną pozycję kwazara na niebie można przypisać do prędkości grawitacji byłby tak mały, że jedyną techniką obserwacyjną zdolną do jej pomiaru byłaby bardzo długa interferometria linii bazowej (VLBI), technika zawarta w VLBA. Następnie Kopeikin skontaktował się z Fomalontem, wiodącym ekspertem w dziedzinie VLBI i doświadczonym obserwatorem VLBA.
„Natychmiast zdałem sobie sprawę ze znaczenia eksperymentu, który mógłby dokonać pierwszego pomiaru podstawowej stałej natury”, powiedział Fomalont. „Zdecydowałem, że musimy dać z siebie wszystko” - dodał.
Aby uzyskać wymagany poziom precyzji, dwaj naukowcy dodali do swojej obserwacji teleskop Effelsberg. Im szerszy odstęp między dwiema antenami radioteleskopu, tym większa jest zdolność rozdzielcza lub zdolność widzenia drobnych szczegółów, możliwa do osiągnięcia. VLBA obejmuje anteny na Hawajach, w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych i St. Croix na Karaibach. Antena po drugiej stronie Atlantyku dodawała jeszcze więcej mocy rozdzielczej.
„Musieliśmy dokonać pomiaru z około trzy razy większą dokładnością niż ktokolwiek inny, ale w zasadzie wiedzieliśmy, że można to zrobić” - powiedział Fomalont. Naukowcy przetestowali i udoskonalili swoje techniki „na sucho”, a następnie czekali, aż Jupiter przejdzie przed kwazarem.
Oczekiwanie obejmowało znaczne obgryzanie paznokci. Awaria sprzętu, zła pogoda lub burza elektromagnetyczna na samym Jowiszu mogły sabotować obserwację. Jednak szczęście się utrzymało, a obserwacje naukowców przy częstotliwości radiowej 8 GigaHertz dostarczyły wystarczająco dobrych danych, aby dokonać ich pomiaru. Osiągnęli precyzję równą szerokości ludzkiego włosa widzianej z odległości 250 mil.
„Naszym głównym celem było wykluczenie nieskończonej prędkości grawitacji, a my zrobiliśmy to jeszcze lepiej. Wiemy teraz, że prędkość grawitacji jest prawdopodobnie równa prędkości światła i możemy z pewnością wykluczyć każdą prędkość grawitacji, która jest ponad dwukrotnie większa niż prędkość światła - powiedział Fomalont.
Większość naukowców, powiedział Kopeikin, odczuje ulgę, że prędkość grawitacji jest zgodna z prędkością światła. „Wierzę, że ten eksperyment rzuca nowe światło na podstawy ogólnej teorii względności i stanowi pierwsze z wielu innych badań i obserwacji grawitacji, które są obecnie możliwe ze względu na niezwykle wysoką precyzję VLBI. Musimy dowiedzieć się więcej o tej intrygującej kosmicznej sile i jej związku z innymi siłami w przyrodzie - powiedział Kopeikin.
To nie pierwszy raz, gdy Jowisz uczestniczył w pomiarze podstawowej stałej fizycznej. W 1675 roku Olaf Roemer, duński astronom pracujący w Obserwatorium Paryskim, dokonał pierwszego dość rozsądnego określenia prędkości światła, obserwując zaćmienia jednego z księżyców Jowisza.
Oryginalne źródło: NRAO News Release
