en av förutsägelserna för Einsteins allmänna relativitetsteori är att varje snurrande kropp drar själva strukturen i rymdtiden i närheten med den. Detta kallas”frame-dra”.
i vardagen är ramdragning både odetekterbar och obetydlig, eftersom effekten är så löjligt liten. Att upptäcka ramdragningen orsakad av hela jordens snurr kräver satelliter som us$750 miljoner Gravitationssond B, och detektering av vinkelförändringar i gyroskop motsvarande bara en grad var 100 000 år eller så.lyckligtvis för oss innehåller universum många naturligt förekommande gravitationslaboratorier där fysiker kan observera Einsteins förutsägelser på jobbet i utsökt detalj. Vårt teams forskning, publicerad idag i Science, avslöjar bevis på ramdragning i en mycket mer märkbar skala, med hjälp av ett radioteleskop och ett unikt par kompakta stjärnor som susar runt varandra i svimlande hastigheter.
dessa stjärnors rörelse skulle ha förvirrat astronomer i Newtons tid, eftersom de tydligt rör sig i en förvrängd rymdtid och kräver Einsteins allmänna relativitetsteori för att förklara sina banor.
allmän relativitet är grunden för modern gravitationsteori. Det förklarar den exakta rörelsen av stjärnorna, planeterna och satelliterna, och till och med tidens flöde. En av dess mindre kända förutsägelser är att snurrande kroppar drar rymdtid runt med dem. Ju snabbare ett objekt snurrar och ju mer massivt det är, desto kraftfullare drag.
en typ av objekt för vilket detta är mycket relevant kallas en vit dvärg. Dessa är de kvarvarande kärnorna från döda stjärnor som en gång var flera gånger massan av vår sol, men har sedan dess uttömt sitt vätebränsle. Det som återstår är lika stort som jorden men hundratusentals gånger mer massivt. Vita dvärgar kan också snurra mycket snabbt, rotera varje minut eller två, snarare än var 24: e timme som jorden gör.
ramdragningen som orsakas av en sådan vit dvärg skulle vara ungefär 100 miljoner gånger så kraftfull som jordens.
det är allt bra och bra, men vi kan inte flyga till en vit dvärg och starta satelliter runt den. Lyckligtvis är naturen dock snäll mot astronomer och har sitt eget sätt att låta oss observera dem, via kretsande stjärnor som kallas pulsarer.för tjugo år sedan upptäckte CSIROS Parkes radioteleskop ett unikt stjärnpar bestående av en vit dvärg (ungefär jordens storlek men cirka 300 000 gånger tyngre) och en radiopulsar (bara storleken på en stad men 400 000 gånger tyngre).
jämfört med vita dvärgar är pulsars i en annan liga helt och hållet. De är gjorda inte av konventionella atomer, men av neutroner packade tätt ihop, vilket gör dem otroligt täta. Dessutom snurrar pulsaren i vår studie 150 gånger varje minut.
detta betyder att 150 gånger varje minut sveper en” fyrstråle ” av radiovågor som emitteras av denna pulsar förbi vår utsiktspunkt här på jorden. Vi kan använda detta för att kartlägga pulsarens väg när den kretsar kring den vita dvärgen, genom att tajma när pulsen anländer till vårt teleskop och känna ljusets hastighet. Denna metod avslöjade att de två stjärnorna kretsar om varandra på mindre än 5 timmar.
detta par, officiellt kallat PSR J1141-6545, är ett idealiskt gravitationslaboratorium. Sedan 2001 har vi vandrat till Parkes flera gånger om året för att kartlägga systemets bana, som uppvisar en mängd Einsteinian gravitationseffekter.
att kartlägga utvecklingen av banor är inte för de otåliga, men våra mätningar är löjligt exakta. Även om PSR J1141-6545 är flera hundra quadrillion kilometer bort (en quadrillion är en miljon miljarder), vet vi att pulsaren roterar 2.5387230404 gånger per sekund och att dess omlopp tumlar i rymden. Detta innebär att planet för dess bana inte är fast, utan istället roterar långsamt.
hur bildades detta system?
När par stjärnor föds dör den mest massiva först och skapar ofta en vit dvärg. Innan den andra stjärnan dör överför den Materia till sin vita dvärgkompis. En skiva bildas när detta material faller mot den vita dvärgen, och under tiotusentals år vrider den upp den vita dvärgen tills den roterar med några minuters mellanrum.
i sällsynta fall som den här kan den andra stjärnan sedan detonera i en supernova och lämna en pulsar. Den snabbt snurrande vita dvärgen drar rymdtid runt med den, vilket gör att pulsarens orbitalplan lutar när den dras med. Denna lutning är vad vi observerade genom vår patientkartläggning av pulsarens bana.
Einstein själv trodde att många av hans förutsägelser om rum och tid aldrig skulle kunna observeras. Men de senaste åren har sett en revolution i extrem astrofysik, inklusive upptäckten av gravitationsvågor och avbildningen av en svart hålskugga med ett världsomspännande nätverk av teleskop. Dessa upptäckter gjordes av miljarder dollar anläggningar.
lyckligtvis finns det fortfarande en roll i att utforska allmän relativitet för 50-åriga radioteleskop som den på Parkes, och för patientkampanjer av generationer av doktorander.