yksi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteista on, että mikä tahansa pyörivä kappale vetää lähiavaruutensa aika-avaruuden rakenteen mukanaan. Tätä kutsutaan”frame-laahaamiseksi”.
arkielämässä kehysriihi on sekä huomaamatonta että merkityksetöntä, sillä vaikutus on niin naurettavan pieni. Koko maapallon pyörimisestä aiheutuvan rungon laahaamisen havaitseminen vaatii satelliitteja, kuten Yhdysvaltain 750 miljoonan dollarin Gravitaatioluotain B: tä, ja kulmamuutosten havaitsemista gyroskoopeissa, jotka vastaavat vain yhtä astetta noin 100 000 vuoden välein.
meidän onneksemme maailmankaikkeudessa on monia luonnossa esiintyviä gravitaatiolaboratorioita, joissa fyysikot voivat havainnoida Einsteinin ennustuksia työssään erittäin yksityiskohtaisesti. Ryhmämme tutkimus, joka julkaistiin tänään Science-lehdessä, paljastaa todisteita kehysten laahaamisesta huomattavasti huomattavammassa mittakaavassa, käyttäen radioteleskooppia ja ainutlaatuista kompaktia tähtiparia, joka kiemurtelee toistensa ympärillä huimaa vauhtia.
näiden tähtien liike olisi hämmentänyt Newtonin ajan tähtitieteilijöitä, sillä ne liikkuvat selvästi kieroutuneessa aika-avaruudessa ja vaativat Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa selittämään niiden liikeradat.
yleinen suhteellisuusteoria on nykyaikaisen gravitaatioteorian perusta. Se selittää tähtien, planeettojen ja satelliittien tarkan liikkeen ja jopa ajan kulun. Yksi sen vähemmän tunnetuista ennusteista on, että pyörivät kappaleet vetävät aika-avaruutta mukanaan. Mitä nopeammin kappale pyörii ja mitä massiivisempi se on, sitä voimakkaampi veto.
yhtä esinetyyppiä, jolle tämä on hyvin merkityksellinen, kutsutaan valkoiseksi kääpiöksi. Nämä ovat jäännösytimiä kuolleista tähdistä, jotka olivat kerran moninkertaisesti Aurinkomme massaisia, mutta ovat sittemmin kuluttaneet vetypolttoaineensa loppuun. Se, mikä jää jäljelle, on kooltaan Maan kaltainen, mutta satojatuhansia kertoja massiivisempi. Valkoiset kääpiöt voivat myös pyöriä hyvin nopeasti, pyörähtäen minuutin tai kahden välein, eikä 24 tunnin välein, kuten maa tekee.
tällaisen valkoisen kääpiön aiheuttama rungon laahaaminen olisi noin 100 miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin maan.
sekin on ihan hyvä asia, mutta emme voi lentää valkoiselle kääpiölle ja laukaista sen ympärille satelliitteja. Onneksi luonto on kuitenkin ystävällinen tähtitieteilijöille, ja sillä on oma tapansa antaa meidän havainnoida niitä pulsareiksi kutsuttujen kiertävien tähtien välityksellä.
kaksikymmentä vuotta sitten CSIRON Parkes-radioteleskooppi löysi ainutlaatuisen tähtiparin, joka koostui valkoisesta kääpiöstä (noin Maan kokoinen, mutta noin 300 000 kertaa painavampi) ja radiopulsarista (vain kaupungin kokoinen, mutta 400 000 kertaa painavampi).
valkoisiin kääpiöihin verrattuna pulsarit ovat kokonaan toisessa liigassa. Ne eivät koostu tavanomaisista atomeista, vaan tiiviisti yhteen pakatuista neutroneista, jotka tekevät niistä uskomattoman tiheitä. Lisäksi tutkimuksemme pulsari pyörii 150 kertaa minuutissa.
tämä tarkoittaa sitä, että 150 kertaa minuutissa tämän pulsarin lähettämä radioaaltojen ”majakkasäde” pyyhkäisee tähystyspisteemme ohi maan päällä. Tämän avulla voimme kartoittaa pulsarin reitin sen kiertäessä valkoista kääpiötä, ajoituksen avulla, kun sen pulssi saapuu teleskooppiimme, ja tietämällä valonnopeuden. Tämä menetelmä paljasti, että kaksi tähteä kiertää toisiaan alle 5 tuntia.
Tämä pari, viralliselta nimeltään PSR J1141-6545, on ihanteellinen gravitaatiolaboratorio. Vuodesta 2001 lähtien olemme vaeltaneet Parkesiin useita kertoja vuodessa kartoittaaksemme tämän järjestelmän kiertorataa, jossa on lukuisia einsteinilaisia gravitaatiovaikutuksia.
kiertoratojen kehityksen kartoittaminen ei ole kärsimättömiä varten, mutta mittauksemme ovat naurettavan tarkkoja. Vaikka PSR J1141 – 6545 on useiden satojen kvadriljoonien kilometrien päässä (Kvadriljoona on miljoona miljardia), tiedämme pulsarin kiertävän 2,5387230404 kertaa sekunnissa ja sen kiertoradan horjuvan avaruudessa. Tämä tarkoittaa, että sen kiertoradan taso ei ole kiinteä, vaan se pyörii hitaasti.
miten tämä järjestelmä muodostui?
kun tähtipareja syntyy, massiivisin kuolee ensin, jolloin syntyy usein valkoinen kääpiö. Ennen toisen tähden kuolemaa se siirtää Materiaa valkoiseen kääpiökumppaniinsa. Kiekko muodostuu, kun tämä aine putoaa kohti valkoista kääpiötä, ja kymmenien tuhansien vuosien aikana se pyörittää valkoista kääpiötä, kunnes se pyörii muutaman minuutin välein.
tämän kaltaisissa harvoissa tapauksissa toinen tähti voi tällöin räjähtää supernovana jättäen jälkeensä pulsarin. Nopeasti pyörivä valkoinen kääpiö raahaa mukanaan aika-avaruutta, mikä saa pulsarin kiertoradan kallistumaan, kun sitä raahataan eteenpäin. Tämän kallistumisen havaitsimme pulsarin kiertoradan potilaskartoituksessa.
Einstein itse ajatteli, ettei monia hänen ennustuksiaan avaruudesta ja ajasta olisi koskaan havaittavissa. Mutta viime vuosina on tapahtunut vallankumous äärimmäisessä astrofysiikassa, muun muassa gravitaatioaaltojen löytämisessä ja mustan aukon varjon kuvaamisessa maailmanlaajuisella teleskooppiverkostolla. Löydöt tehtiin miljardiluokan laitoksilla.
onneksi on vielä rooli yleisen suhteellisuusteorian tutkimisessa Parkesin kaltaisille 50 vuotta vanhoille radioteleskoopeille ja jatko-opiskelijoiden sukupolvien kärsivällisille kampanjoille.