라디오 펄서는 이진법 아인슈타인이 최소 99.99% 옳음을 증명합니다.

아인슈타인이 우주에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으킨 기하학적 중력 이론인 일반 상대성 이론(GR)을 공식화한 지 100년이 넘었습니다. 그러나 천문학자들은 이 잘 정립된 이론에서 벗어나기 위해 여전히 엄격한 테스트를 받고 있습니다. 그 이유는 간단합니다. GR을 넘어서는 모든 물리학 지표는 우주에 대한 새로운 창을 열어 우주에 대한 더 깊은 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.

가장 엄격한 테스트 중 하나는 최근 독일 본에 있는 막스 플랑크 전파천문연구소(MPIfR)의 마이클 크레이머(Michael Kramer)가 이끄는 국제 천문학 팀에 의해 수행되었습니다. Kramer와 그의 동료들은 전 세계의 전파 망원경 7개를 사용하여 16년 동안 독특한 한 쌍의 펄서를 관찰했습니다. 그 과정에서 그들은 GR이 예측한 효과를 처음으로 관찰했으며, 건강 최소 99.99%!

MPIfR의 연구원 외에도 Kramer와 그의 동료들은 Jodrell Bank Center for Astrophysics(영국), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection(호주), Ocean 등 10개국에 있는 기관의 연구원들과 합류했습니다. 학회. 이론 물리학(캐나다), 파리 천문대(프랑스), Osservatorio Astronomico di Cagliari(이탈리아), 남아프리카 전파천문대(SARAO), 네덜란드 전파천문연구소(ASTRON) 및 Arecibo 천문대.

펄서는 빠르게 회전하는 중성자 별이며 좁은 전파 빔을 방출합니다. 출처: NASA 고다드 우주 비행 센터

“전파 펄서”는 매우 자성을 띠며 빠르게 회전하는 중성자 별의 특별한 부류입니다. 이 초고밀도 물체는 극에서 강력한 무선 빔을 방출하여(빠른 회전과 결합될 때) 강력한 신호와 같은 효과를 생성합니다. 천문학자들은 펄서가 초소형 물체, 자기장, 성간 매질(ISM), 행성 물리학, 심지어 우주론을 지배하는 물리학에 대한 풍부한 정보를 제공하기 때문에 펄서에 매료됩니다.

또한, 강력한 중력으로 인해 천문학자들은 GR 및 수정된 뉴턴 역학 (MOND) 상상할 수 있는 가장 가혹한 조건에서. 그들의 연구를 위해 Kramer와 그의 팀은 지구에서 2,400광년 떨어진 곳에 위치한 “이중 별” 시스템인 PSR J0737-3039 A/B를 조사했습니다. 인형의 별자리.

이 시스템은 유일한 라디오 펄서 바이너리는 2003년에 연구팀 구성원에 의해 발견되었습니다. 이 시스템을 구성하는 두 개의 펄서는 초당 44회(A), 2.8초마다 한 번(B) 빠르게 회전하며 단 147분 동안 서로 공전합니다. 태양보다 약 30% 더 크지만 지름은 약 24km에 불과합니다. 따라서 강력한 중력과 강한 자기장.

이러한 특성 외에도 이 시스템의 빠른 궤도 주기는 중력 이론을 테스트하기 위한 거의 완벽한 실험실이 됩니다. Kramer 교수는 MPIfR에 대한 최근 보도 자료에서 다음과 같이 말했습니다.

“우리는 압축된 별의 시스템을 연구했으며 매우 강한 중력장이 있는 상태에서 중력 이론을 테스트하는 비할 데 없는 실험실입니다. 기쁘게도 우리는 아인슈타인 이론의 초석, 즉 별이 운반하는 에너지를 테스트할 수 있었습니다. 중력파, 노벨상을 수상한 Hulse-Taylor 펄서보다 25배 더 정확하고 중력파 탐지기로 현재 가능한 것보다 1,000배 더 정확합니다.”

궁수자리 A* 근처를 지나가는 별 S2의 궤적에 대한 예술가의 인상은 천문학자들이 극한의 조건에서 일반 상대성 이론에 의해 만들어진 예측을 테스트할 수 있도록 합니다. 크레딧: ESO/M. Kornmeiser

파크스 전파망원경(호주), 그린뱅크망원경(미국), 난사이 전파망원경(프랑스), 에펠베르그 100m 망원경(독일), 러벨 전파망원경(킹덤유나이티드), Westerbork 합성 전파 망원경(네덜란드) 및 매우 긴 코어 어레이(미국).

이 관측소는 334MHz 및 700MHz에서 1300 – 1700MHz, 1484MHz 및 2520MHz 범위의 전파 스펙트럼의 다른 부분을 다루었습니다. 그렇게 함으로써 그들은 이 쌍성 펄서에서 나오는 광자가 강한 중력에 의해 어떻게 영향을 받는지 볼 수 있었습니다. 이 연구의 공동 저자인 브리티시 컬럼비아 대학교(UBC)의 Ingrid Stiers 교수는 다음과 같이 설명했습니다.

“우리는 우주 표지인 펄서에서 방출되는 전파 광자의 전파를 추적하고 동반 펄서의 강한 중력장에서 그들의 움직임을 추적합니다. 우리는 우주의 강한 곡률뿐만 아니라 빛이 어떻게 지연되는지 처음으로 봅니다. “그 빛은 0.04도의 작은 각도만큼 편향되어 있습니다. 우리는 그들의 발견을 할 수 있습니다. 이러한 실험은 시공간의 높은 곡률에서 전에 한 적이 없었습니다.”

공동 저자인 호주 CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)의 딕 맨체스터(Dick Manchester) 교수가 덧붙인 것처럼, 이와 같은 조밀한 물체의 빠른 궤도 운동을 통해 GR에 대한 7가지 다른 예측을 테스트할 수 있었습니다. 여기에는 중력파, 빛의 전파(“Shapiro의 빛의 지연 및 굽힘), 시간 팽창, 질량-에너지 방정식(E = mc)이 포함됩니다.²), 그리고 펄서의 궤도 운동에 대한 전자기 복사의 영향은 무엇입니까?

웨스트버지니아에 있는 로버트 C. 버드 그린뱅크 망원경(GBT). 크레딧: GBO/AUI/NSF

“이 방사선은 초당 800만 톤의 총 손실에 해당합니다!” 그는 말했다. “많은 것처럼 들리지만 초당 펄서 질량의 300000000000000분의 3(!)의 아주 작은 부분입니다.” 연구원들은 또한 수성의 궤도에서 처음 관찰된 상대론적 효과인 펄서의 궤도 방향 변화에 대한 매우 정확한 측정을 수행했으며, 아인슈타인의 GR 이론이 해결하는 데 도움이 된 미스터리 중 하나였습니다.

여기에서만 그 효과가 140,000배 더 강력하여 팀은 주변 시공간에 대한 펄서의 회전 효과(일명)도 고려해야 한다는 것을 깨달았습니다. Lense-Thirring 효과 또는 “프레임을 드래그합니다.” 이 연구의 또 다른 주 저자인 MPIfR의 Norbert Weeks 박사도 또 다른 돌파구를 마련했습니다.

“이것은 우리의 경험에 비추어 볼 때 펄서의 내부 구조를 중성자별. 따라서 우리의 측정은 중성자 별의 확장에 제약을 제공하기 위해 펄서 타이밍이라고 부르는 기술인 중성자 별 주기의 정확한 추적을 처음으로 사용할 수 있게 해줍니다.”

이 실험의 또 다른 가치 있는 결과는 팀이 상호 보완적인 모니터링 기술을 결합하여 고정밀 거리 측정을 얻은 방법이었습니다. 유사한 연구는 과거에 잘못된 거리 추정으로 인해 종종 방해를 받았습니다. 펄서 타이밍 기술과 정확한 간섭계 측정(및 ISM 효과)을 결합하여 팀은 8%의 오차 한계로 2,400광년의 고해상도 결과를 얻었습니다.

두 개의 병합 중성자 별에 대한 예술가의 그림. 좁은 광선은 감마선 폭발을 나타내는 반면 물결 모양의 시공 격자는 병합을 특징짓는 반대 중력파를 나타냅니다. 크레딧: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. 시모네

결국 팀의 결과는 GR과 일치했을 뿐만 아니라 이전에는 연구할 수 없었던 효과도 볼 수 있었습니다. 다른 연구 공동 저자(MPIfR에서도 제공)인 Paulo Freire는 다음과 같이 말했습니다.

“우리의 결과는 중력파 탐지기 또는 Event Horizon Telescope와 같은 다른 조건에서 중력을 테스트하거나 다른 효과를 보는 다른 실험 연구를 잘 보완합니다. 또한 트리플 스타 시스템에서 펄서를 사용한 타이밍 실험과 같은 다른 펄서 실험을 보완합니다. , 그것은 자유 낙하의 보편성에 대한 독립적인(그리고 매혹적인) 테스트를 제공했습니다.”

Kramer 교수는 “우리는 전례 없는 수준의 정확도에 도달했습니다. 더 큰 망원경을 사용한 미래의 실험은 더 멀리 갈 수 있고 계속할 것입니다. 우리의 연구는 그러한 실험이 수행되어야 하는 방법과 지금 고려해야 할 정확한 효과를 보여주었습니다. 아마도 언젠가 우리는 일반 상대성 이론에서 벗어난 것을 발견하게 될 것입니다.”

그들의 연구를 설명하는 논문이 최근 저널에 실렸습니다. X. 물리적 검토그리고

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이 연구에 대해 자세히 알아보려면:

참고 문헌: M. Kramer et al.의 “이중 별을 사용한 강한 자기장 중력 테스트”. 2021년 12월 13일, X. 물리적 검토.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050