Sudah lebih dari seratus tahun sejak Einstein meresmikan teori relativitas umum (GR), teori gravitasi geometris yang telah merevolusi pemahaman kita tentang alam semesta. Namun, para astronom masih menjalani tes yang ketat, berharap menemukan penyimpangan dari teori yang sudah mapan ini. Alasannya sederhana: setiap indikator fisika di luar GR akan membuka jendela baru di alam semesta dan membantu memecahkan beberapa misteri yang lebih dalam tentang alam semesta.

Salah satu tes paling ketat yang pernah dilakukan baru-baru ini oleh tim astronom internasional yang dipimpin oleh Michael Kramer dari Institut Max Planck untuk Radio Astronomi (MPIfR) di Bonn, Jerman. Menggunakan tujuh teleskop radio dari seluruh dunia, Kramer dan rekan-rekannya telah mengamati sepasang pulsar yang unik selama 16 tahun. Dalam prosesnya, mereka mengamati efek yang diprediksi oleh GR untuk pertama kalinya, dan dengan kesehatan Setidaknya 99,99%!

Selain para peneliti dari MPIfR, Kramer dan rekan-rekannya bergabung dengan para peneliti dari institusi di sepuluh negara berbeda – termasuk Jodrell Bank Center for Astrophysics (UK), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Australia), dan Ocean Lembaga. Untuk Fisika Teoretis (Kanada), Observatorium Paris (Prancis), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), Observatorium Astronomi Radio Afrika Selatan (SARAO), Institut Astronomi Radio Belanda (ASTRON) dan Observatorium Arecibo.

Pulsar adalah bintang neutron yang berputar cepat yang memancarkan sinar gelombang radio yang sempit. Kredit: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

“Radio pulsar” adalah kelas khusus bintang neutron yang berputar cepat dan sangat magnetis. Objek ultra-padat ini memancarkan sinar radio yang kuat dari kutubnya yang (bila dikombinasikan dengan rotasi cepatnya) menciptakan efek seperti suar yang kuat. Para astronom terpesona oleh pulsar karena mereka memberikan banyak informasi tentang fisika yang mengatur objek ultra-kecil, medan magnet, medium antarbintang (ISM), fisika planet, dan bahkan kosmologi.

Selain itu, gaya gravitasi yang kuat memungkinkan para astronom untuk menguji prediksi yang dibuat oleh teori gravitasi seperti GR dan Dinamika Newton yang Dimodifikasi (MOND) di bawah beberapa kondisi paling keras yang bisa dibayangkan. Untuk studi mereka, Kramer dan timnya memeriksa PSR J0737-3039 A/B, sebuah sistem “bintang ganda” yang terletak 2.400 tahun cahaya dari Bumi di Anak Anjing Konstelasi.

Sistem ini adalah satu-satunya radio pulsar biner pernah dan ditemukan pada tahun 2003 oleh anggota tim peneliti. Dua pulsar yang membentuk sistem ini memiliki putaran cepat—44 kali per detik (A), sekali setiap 2,8 detik (B)—dan mengorbit satu sama lain hanya selama 147 menit. Meskipun sekitar 30% lebih besar dari Matahari, diameternya hanya sekitar 24 km (15 mil). Oleh karena itu, gravitasinya yang kuat dan medan magnetnya yang kuat.

Selain sifat-sifat ini, periode orbit cepat sistem ini menjadikannya laboratorium yang hampir sempurna untuk menguji teori gravitasi. Seperti yang dikatakan Profesor Kramer dalam siaran pers baru-baru ini untuk MPIfR:

“Kami telah mempelajari sistem bintang terkompresi dan merupakan laboratorium yang tak tertandingi untuk menguji teori gravitasi di hadapan medan gravitasi yang sangat kuat. Kami senang, kami telah mampu menguji landasan teori Einstein, energi yang dibawanya. gelombang gravitasi, dengan akurasi 25 kali lebih baik daripada pulsar Hulse-Taylor pemenang Hadiah Nobel, dan 1.000 kali lebih baik daripada yang saat ini dimungkinkan dengan detektor gelombang gravitasi.”

Kesan seniman tentang jalur bintang S2 yang lewat di dekat Sagitarius A*, yang juga memungkinkan para astronom menguji prediksi yang dibuat oleh relativitas umum dalam kondisi ekstrem. Kredit: ESO/M. Kornmeiser

Tujuh teleskop radio digunakan untuk kampanye pengamatan selama 16 tahun, termasuk Parkes Radio Telescope (Australia), Green Bank Telescope (AS), Nansai Radio Telescope (Prancis), Eiffelberg 100m Telescope (Jerman), Lovell Radio Telescope (Kingdom United), Teleskop Radio Westerbork Synthesis (Belanda), dan Very Long Core Array (AS).

Observatorium ini mencakup berbagai bagian spektrum radio, mulai dari 334 MHz dan 700 MHz hingga 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz, dan 2520 MHz. Dengan melakukan itu, mereka dapat melihat bagaimana foton yang berasal dari pulsar biner ini dipengaruhi oleh gravitasinya yang kuat. Seperti yang dijelaskan oleh Profesor Ingrid Stiers dari University of British Columbia (UBC) di Vancouver, salah satu penulis studi ini:

“Kami mengikuti propagasi foton radio yang dipancarkan oleh suar kosmik, pulsar, dan melacak gerakan mereka di medan gravitasi kuat dari pulsar pendamping. Kami melihat untuk pertama kalinya bagaimana cahaya tertunda tidak hanya oleh kelengkungan ruang yang kuat- “

Sebagai rekan penulis Profesor Dick Manchester dari Organisasi Riset Ilmiah dan Industri Persemakmuran Australia (CSIRO) menambahkan, gerakan orbital yang cepat dari objek kompak seperti ini memungkinkan mereka untuk menguji tujuh prediksi berbeda tentang GR. Ini termasuk gelombang gravitasi, propagasi cahaya (“penundaan Shapiro dan pembengkokan cahaya), dilatasi waktu, dan persamaan massa-energi (E = mc).²), dan apa pengaruh radiasi elektromagnetik terhadap gerak orbit pulsar.

Robert C. Bird Green Bank Telescope (GBT) di West Virginia. Kredit: GBO/AUI/NSF

“Radiasi ini setara dengan kerugian kolektif 8 juta ton per detik!” Dia berkata. “Meskipun kedengarannya seperti banyak, itu adalah sebagian kecil – 3 bagian per seribu miliar (!) – dari massa pulsar per detik.” Para peneliti juga membuat pengukuran yang sangat tepat dari perubahan orientasi orbit pulsar, efek relativistik yang pertama kali diamati dengan orbit Merkurius – dan salah satu misteri yang teori GR Einstein bantu pecahkan.

Hanya di sini, efeknya 140.000 kali lebih kuat, membuat tim menyadari bahwa mereka juga perlu mempertimbangkan efek rotasi pulsar pada ruangwaktu di sekitarnya – alias. Efek Lense-Thirring, atau “seret bingkai.” Dr. Norbert Weeks dari MPIfR, penulis utama studi lainnya, juga memberikan terobosan lain:

“Ini berarti dalam pengalaman kami bahwa kami perlu mempertimbangkan struktur internal pulsar sebagai bintang neutron. Oleh karena itu, pengukuran kami memungkinkan kami untuk pertama kalinya menggunakan pelacakan yang tepat dari siklus bintang neutron, teknik yang kami sebut waktu pulsar untuk memberikan batasan pada ekstensi bintang neutron.”

Hasil lain yang berharga dari eksperimen ini adalah bagaimana tim menggabungkan teknik pemantauan pelengkap untuk mendapatkan pengukuran jarak dengan akurasi tinggi. Studi serupa sering terhambat oleh perkiraan jarak yang buruk di masa lalu. Dengan menggabungkan teknologi waktu pulsar dengan pengukuran interferometri yang tepat (dan efek ISM), tim memperoleh hasil resolusi tinggi 2.400 tahun cahaya dengan margin kesalahan 8%.

Ilustrasi artis tentang dua bintang neutron yang bergabung. Balok sempit mewakili ledakan sinar gamma, sedangkan kisi ruang-waktu yang bergelombang menunjukkan gelombang gravitasi yang berlawanan yang menjadi ciri penggabungan. Kredit: NSF/LIGO/Universitas Negeri Sonoma/A. Simonet

Pada akhirnya, tidak hanya hasil tim yang konsisten dengan GR, tetapi mereka juga dapat melihat efek yang tidak dapat dipelajari sebelumnya. Seperti yang diungkapkan oleh Paulo Freire, rekan penulis studi lainnya (juga dari MPIfR):

“Hasil kami melengkapi studi eksperimental lain yang menguji gravitasi dalam kondisi lain atau melihat efek yang berbeda, seperti detektor gelombang gravitasi atau Event Horizon Telescope. Mereka juga melengkapi eksperimen pulsar lainnya, seperti eksperimen waktu kami dengan pulsar dalam sistem bintang tiga. , yang memberikan tes independen (dan menarik) tentang universalitas jatuh bebas.”

“Kami telah mencapai tingkat akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya,” Profesor Kramer menyimpulkan. Eksperimen masa depan dengan teleskop yang lebih besar dapat dan akan terus berlanjut. Pekerjaan kami telah menunjukkan cara di mana eksperimen semacam itu harus dilakukan dan efek pasti mana yang perlu diperhitungkan sekarang. Mungkin suatu hari kita akan menemukan penyimpangan dari relativitas umum.”

Makalah yang menjelaskan penelitian mereka baru-baru ini muncul di jurnal X. review fisikDan

Awalnya Diposting di alam semesta hari ini.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang penelitian ini:

Referensi: “Tes gravitasi medan kuat menggunakan bintang ganda” oleh M. Kramer et al. 13 Desember 2021, X. review fisik.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050