En Einstein heeft weer gelijk

De algemene relativiteitstheorie overleeft een reeks rigoureuze tests in een extreem dubbelstersysteem dat bestaat uit twee pulsars

In een 16 jaar durend experiment heeft een internationaal team van onderzoekers uit tien landen de algemene relativiteitstheorie van Einstein getest met enkele van de zwaarste tests tot nu toe. De groep, onder leiding van Michael Kramer van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, onderzocht een uniek paar sterren met extreme eigenschappen, zogenaamde pulsars, die om elkaar heen draaien in een dubbelstersysteem. Zeven radiotelescopen over de hele wereld namen deel aan de metingen. Daarbij kwamen nieuwe relativistische effecten naar voren die, hoewel te verwachten, nu voor het eerst worden waargenomen. Einsteins algemene relativiteitstheorie komt voor meer dan 99,99% overeen met de waarnemingen.

Meer dan 100 jaar nadat Albert Einstein zijn zwaartekrachttheorie publiceerde, blijven wetenschappers over de hele wereld ernaar streven de mogelijke grenzen van de algemene relativiteitstheorie aan te wijzen. Het opmerken van elke afwijking van de voorspellingen van deze theorie zou een belangrijke ontdekking zijn. Het zou de deur openen naar nieuwe fysica en verder gaan dan ons huidige theoretische begrip van het universum.

“We hebben een tweesterrensysteem met een extreem hoge dichtheid onderzocht, wat een uniek laboratorium is om de voorspellingen van Einstein te testen in de aanwezigheid van zeer sterke zwaartekrachtsvelden”, zegt Michael Kramer, directeur van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn. “We zijn blij dat we de hoeksteen van de algemene relativiteitstheorie, de energiestraling van zwaartekrachtgolven, hebben kunnen meten met een resolutie die 1000 keer hoger is dan momenteel mogelijk is met detectoren op aarde.”

Volgens Kramer stemmen de waarnemingen niet alleen uitstekend overeen met de theorie, maar laten ze ook eerder onbereikbare effecten zien. Ingrid Steers van de University of British Columbia in Vancouver geeft een voorbeeld: “We hebben de voortplanting van radiofotonen van een pulsar gevolgd en hun beweging onderzocht in het sterke zwaartekrachtveld van een begeleidende pulsar.”

De onderzoekers zagen voor het eerst dat het licht niet alleen vertraagd werd door de sterke kromming van ruimte en tijd rond de begeleider, maar ook werd afgebogen door een kleine hoek van slechts 0,04 graden. “Er is nog nooit een dergelijk experiment gedaan met zo’n sterke kromming van de ruimtetijd”, zegt Stiers.

Dit kosmisch laboratorium, bekend als een “dubbele pulsar”, werd in 2003 ontdekt door teamleden. Het bestaat uit twee pulsars – verkoolde stellaire lichamen met een extreem hoge dichtheid, die snel om hun as draaien en daarbij radioactieve straling uitzenden. Als de stralingskegel van zo’n neutronenster over de aarde zwaait, ziet het eruit als een kosmisch baken en zijn straling als het ware ‘pulsen’. Vandaar de naam pulsar.

De twee pulsars draaien in slechts 147 minuten om elkaar heen met een snelheid van ongeveer een miljoen kilometer per uur. Een pulsar roteert heel snel, ongeveer 44 keer per seconde. De metgezel is jong en heeft een rotatieperiode van 2,8 seconden. De beweging van de twee sterren om elkaar heen kan worden gebruikt als een bijna perfect laboratorium om theorieën over zwaartekracht in extreme omgevingen te onderzoeken.

Elk van de pulsars is ongeveer 30% groter dan onze zon, maar slechts ongeveer 15 mijl in diameter. “Als dit soort dingen snel om elkaar heen bewegen, kunnen we in totaal zeven voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie testen”, zegt Dick Manchester van het Australische nationale wetenschapsbureau CSIRO. Dankzij de nauwkeurigheid van het experiment was het onder meer mogelijk om het effect te meten van de zogenaamde tijdsdilatatie, waardoor klokken langzamer gaan lopen in zwaartekrachtsvelden.

“We moeten zelfs de beroemde vergelijking van Einstein gebruiken E = mc² Als we het effect van elektromagnetische straling van een snel roterende pulsar op de orbitale beweging onderzoeken”, zegt Manchester. “Deze straling komt overeen met een massaverlies van acht miljoen ton per seconde.” Dat klinkt als veel, maar het is maar een klein deel — drieduizend miljard miljardste van de totale massa van de pulsar.

Bovendien konden de onderzoekers met een nauwkeurigheid van één deel per miljoen aantonen dat de baan van richting verandert. Dit is een bekend relativistisch effect van de baan van Mercurius, maar het komt hier 140 duizend keer meer voor dan de invloed van de binnenste planeet in ons zonnestelsel. Het team realiseerde zich dat met deze precisie ook rekening moet worden gehouden met de effecten van de rotatie van de pulsar op de omringende ruimtetijd, die met de pulsar wordt meegesleept.

Dit fenomeen staat bekend als het lenseffect of frame drag. “In ons experiment betekent dit dat we naar de interne structuur van de pulsar moeten kijken als een neutronenster”, zegt Norbert Weeks van het Max Planck Instituut in Bonn, een andere auteur van het onderzoek. De metingen maakten het voor het eerst mogelijk om een ​​techniek genaamd pulsar timing te gebruiken om geldige gegevens over de grootte ervan af te leiden door de rotatie van een neutronenster nauwkeurig te volgen.

Het pulsar-timingproces en nauwkeurige interferometriemetingen van het pulsar-systeem werden gecombineerd om de afstand te bepalen met beeldvorming met hoge resolutie. Het resultaat is 2.400 lichtjaar verwijderd, met een fout van slechts acht procent. Volgens Adam Diller van de Swinburne University in Australië creëert de combinatie van verschillende en complementaire monitoringtechnieken de waarde van de ervaring. Naast de hierboven genoemde pulsartijdmeting en interferometrie is ook rekening gehouden met informatie uit de effecten van het interstellaire medium.

“Onze resultaten zijn een goede aanvulling op andere experimentele onderzoeken die de zwaartekracht testen onder verschillende omstandigheden of verschillende effecten waarnemen, zoals zwaartekrachtgolfdetectoren of de Event Horizon-telescoop”, zegt Paulo Freire van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie.

In de woorden van Michael Kramer bereikten de metingen een “ongekende mate van nauwkeurigheid”. Het werk liet zien hoe dergelijke experimenten precies werden uitgevoerd en met welke exacte effecten rekening moet worden gehouden. “En misschien zullen we op een dag echt een afwijking van de algemene relativiteitstheorie vinden.”

NJ / HORR