Takket være det tredobbelte PSR J0337 + 1715-system modstod et stærkt ækvivalensprincip en ny test • Alexey Levin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Astrofysik

Takket være det tredobbelte PSR J0337 + 1715-system har det stærke ækvivalensprincip stået den nye test.

I det tredobbelte stjerne system roterer PSR J0337 + 1715 millisekunds radio pulsar og en hvid dværg rundt om et fælles center med en periode på 1,6 jorddage. På en stor afstand omkring dem, med en omkredsperiode på 327 dage, tegnes den hvide dværg større. Denne "stjerne triade" bekræftede sit ekstraordinære løfte om at teste det stærke ækvivalensprincip. Billede fra blogs.discovermagazine.com

En gruppe hollandske og amerikanske forskere i seks år betragtede det tredobbelte system PSR J0337 + 1715, hvis centrale del er dannet af et par millisekunds radio pulsar og en hvid dværg, hvorom en hvid dværg bliver større på en stor afstand, alle tre stjerner bevæger sig i samme plan langs praktisk talt cirkulære baner. Observationerne blev udført på tre radioteleskoper: Green Bank i USA, Westerbork Radio Telescope i Holland og Giant terescope af Arecibo Radio Observatory i Puerto Rico. Analysen af ​​dataene akkumuleret over seks år viste, at accelerationerne af pulsar og dets partner fra det indre par ved et 95% signifikansniveau falder sammen med en relativ nøjagtighed på 2,6 × 10−6. Det betyder, at det stærke ækvivalensprincip er nu meget mere pålideligt,hvad gjorde det muligt at lave observationer af en pulsar med en enkelt hvid dværg og eksperimenter på månens laserplacering.

22. juni natur annoncerede et nyt vellykket eksperiment for at teste Einstein-tyngdepunkten (generel relativitetsteori, generel relativitet). Denne test blev først udført på afstande svarende til størrelsen af ​​dværggalakser. Mere præcist bekræftede eksperimentet rummets tidsmetrik for det ekspanderende univers, der er afledt af det komplette system af ligninger af GR i den svage feltimodation (se astrofysik under fodbold: test af GR på galaktiske skalaer og det manglende baryonsubstans, elementer, 02.07.2018 ). Og to uger senere natur udgivet et brev fra astronomer fra Holland, Australien, USA og Canada, der bekræftede en af ​​GRs vigtigste konklusioner for de mest magtfulde gravitationsfelter, der findes i det observerbare univers. En medarbejder ved Institut for Astronomi opkaldt efter Anton Pannekoek ved Amsterdams Universitet og Det Hollandske Institut for Radio Astronomi ASTRON Anne Archibald (Anne M. Archibald) og hendes kolleger viste, at bevægelse i sådanne felter med meget høj nøjagtighed overholder et stærkt ækvivalensprincip.Da GR i modsætning til alternative tyngdeorienteringer kræver absolut opfyldelse af dette princip, er nye resultater blevet et yderligere argument i sin støtte.

Ækvivalensprincippet har en lang og respektabel historie, og han har mange formuleringer. Historisk går det tilbage til den strenge lighed mellem de to typer af masse, som Isaac Newton lagde fundamentet for mekanik. Newtons anden lov hedder, at accelerationen af ​​en hvilken som helst krop er proportional med den geometriske sum af de kræfter, som den ligger i. Proportionalitetskoefficienten, som fremgår af denne lov, karakteriserer kroppens evne til at modstå kraftens virkning: jo højere er det, jo mindre acceleration er alt andet lige. Med andre ord bestemmer koefficienten træthedsniveauet i kroppen, og det kaldes derfor en inert masse. En sådan definition af masse er uløseligt forbundet med bevægelsen og giver kun mening i en dynamisk sammenhæng. Tværtimod bestemmer masserne, der fremgår af den nytonske lov i verden, kun størrelsen af ​​den kraft, som organerne tiltrækker hinanden.Her beskæftiger vi os med et andet begrebsmasse, som ikke kræver involvering af dynamiske love og især ikke er relateret til inerti. Denne masse kaldes tung eller gravitationsmæssig.

Ligestillingen mellem massernes forskellige inkarnationer følger generelt ingen steder, og i Newtons tider blev det opfattet som en empirisk virkelighed. Figurativt set er den tunge masse lig med den inerte simpelthen fordi verden er så arrangeret – eller fordi Skaberen skabte det på den måde, som Newton utvivlsomt tænkte (forresten forstod han helt godt, at denne kendsgerning har en meget dyb fysisk betydning, som selvfølgelig han selv kunne ikke forklare). Det følger af massernes lighed, at accelerationen inden for aggression er uafhængig af kroppens masse og er helt bestemt af marken selv (det vil sige i samme generelle felt bevæger alle kroppe sig med samme acceleration). Da kun fysiske masser fremgår af verdens lov, afhænger denne acceleration ikke af nogen af ​​disse andre egenskaber – struktur, farve, elektrisk ladning, magnetiseringsgrad osv. Det skal bemærkes, at i denne forstand er unik. For eksempel afhænger bevægelsen af ​​et ladet legeme i et elektrisk felt direkte af ladningens størrelse.

Måske skal du gå lidt dybere ind i historien. Den eksperimentelle opdagelse af ligeværdigheden af ​​accelerationen af ​​nogen organer inden for jordens tyngdekraft skyldes ofte Galileo, hvilket generelt er forkert. Da han for første gang tog op fysik efter at have modtaget en afdeling ved universitetet i Pisa i 1589, var Aristoteles synspunkter stadig gældende inden for europæisk videnskab, idet han hævdede, at en frit faldende krop er ved at opnå fart i forhold til dens vægt. Sandt nok havde denne position modstandere selv i oldtiden – dog ikke mange. I anden halvdel af 1600-tallet afviste den italienske Giuseppe Moletti og den flamske Simon Stevin det eksperimentelt (Steven konkluderede endda, at alle kroppe falder i hulrummet med samme acceleration), men deres konklusioner var af ringe interesse for nogen. Han tvivlede på Aristoteles og Galileos Hypotese, som han skrev om i sin Afhandling om Bevægelsen, afsluttet senest 1590. Men hans egne synspunkter om dette emne var ret vage, og selve afhandlingen blev upubliseret indtil slutningen af ​​det 17. århundrede.

Der er en legende, der under vitnerne Galileo nægtede Aristoteles, og tabte bolde af forskellig vægt fra klokketårnet til katedralen i Pisa af Santa Maria Assunta, bedre kendt som Pisa-tårnet.Dette bekræftes imidlertid ikke i dokumenterne på den tid eller i Galileos skrifter. Denne historie er kendt fra ordene fra den italienske matematiker og fysiker Vincenzo Viviani, som i en alder af 17 blev en student og assistent for Galileo og i 1654 offentliggjorde sin biografi. Mest sandsynligt er det en myte, der på grund af konstant gentagelse har fundet en sandhedens aura. Det er nysgerrig, at en professor ved universitetet i Pisa, Giorgio Korezio (Giorgio Coresio), en overbevist Aristotelian i 1612, virkelig kastede lette og tunge genstande fra tårnet i Pisa og hævdede, at de faldt i overensstemmelse med den gamle filosofs forskrifter.

Men i slutningen af ​​sit liv kom Galileo virkelig til den faste overbevisning om, at den samme virkning på enhver bevægelig krop. I 1637 afsluttede han det sidste store arbejde "Samtaler og matematiske bevis for to nye videnskaber" (se to nye videnskaber samt oversættelsen af ​​bogen til engelsk), hvor han præsenterede sine resultater inden for kinematik af ensartede og ensartede accelererede bevægelser i en række sætninger. Det var der, at Galileo for første gang klart formulerede en erklæring, som senere blev kendt som loven om frihedens universalitet.Ved at anvende sin fejlfri logik fuldt ud på resultaterne af sine egne observationer af kroppens bevægelse på et tilbøjelig plan og mentale forsøg, konkluderede Galileo, at i mangel af ydre modstand ville alle kroppe falde i samme hastighed (faktisk betød han Kroppene ville få samme hastighed på samme tid som efteråret, så det drejer sig faktisk om accelerationer). Det er fra dette princip, at Newton afledte forslaget om, at gravitations- og inerte masser er ens.

Udviklingen af ​​Galileo Galilei's bog Conversations and Mathematical Proofs om to nye videnskaber (1638)

Albert Einstein i 1907 rejste dybt den fysiske identitet af de tunge og inerte masser og gjorde den til en af ​​hjørnestenene i den fremtidige teori om teorien. Han skrev om dette i sit første arbejde, hvor tyngdepunktet blev nævnt: "Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen" – "På relativitetsprincippet og dens konsekvenser" // // Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik, 4, 411-462). Dette emne er afsat til sin sidste, femte sektion, "Relativitetsprincippet og tyngdekraften."

Einstein, som du ved, var meget glad for tankeeksperimenter og brugte dem ofte – herunder i dette arbejde.Han sammenlignede to referencesystemer, hvoraf den første ligger i retlinet ensartet accelereret bevægelse, og den anden i immobilitet i et ensartet konstant felt. Einstein kom til den konklusion, at hvis kraftens kraft er nøjagtigt den kraft, der kræves for at bevæge sig med denne acceleration, kan ingen realistisk fysisk eksperiment udført inden for disse systemer afgøre, hvilken af ​​dem der bevæger sig, og som er i ro. Ifølge Einstein følger det "fuld fysisk ækvivalens af gravitationsfeltet og den tilsvarende acceleration af referencesystemet. En sådan antagelse udvider relativitetsprincippet til tilfælde af ensartet accelereret lineær bevægelse af referencesystemet. Dens heuristiske værdi ligger i det faktum, at det tillader det homogene tyngdepunkt at erstattes af et ensartet accelereret referencesystem, hvilket til en vis grad tillader teoretisk overvejelse."Så Einstein formulerede først et specielt tilfælde af en grundlæggende position, som han kaldte ækvivalensprincippet fem år senere. Han udvide det senere til bevægelser med enhver acceleration – ikke nødvendigvis ligetil og konstant.På grundlag af ækvivalensprincippet kom Einstein til den konklusion, at gravitationsfelter skylder deres udseende for ændringer i metronomerne i rumtids-kontinuumet – eller som det ofte siges, krumning af rumtiden.

Der er brug for to præciseringer her. Ækvivalensprincippet fastslår, at i et tilstrækkeligt lille område af rumtid ikke noget fysisk eksperiment kan svare på spørgsmålet om, hvorvidt observatøren er i et tyngdepunkt eller i en accelererende referenceramme. Sådan ser hans moderne formulering ud, som man kan finde i mange lærebøger. Det følger heraf, at dette princip kun har en lokal, men ikke global betydning. Det betyder, at det kun udføres på sådanne rumtidsskalaer, hvor aggressionsområdet kan betragtes som konstant i rummet og uændret i tide. Hvis man går ud over disse grænser, er det nødvendigt at tage højde for tidevandsstyrker, der påvirker forskellige organers bevægelser forskelligt. Sporing af disse effekter kan du finde ud af, hvor observatøren er. For eksempel, hvis du netop registrerer bevægelsesretningerne for to organer,kastet lodret ned fra forskellige geografiske punkter over jordens overflade, kan man se, at de gradvist nærmer sig hinanden, bevæger sig mod jordens jord langs to forskellige radii (faktisk vil der stadig være virkninger forbundet med rotationen af ​​vores planet, men for enkelhed kan ignoreres). Sådanne eksperimenter gør det muligt at finde ud af, at kropperne ikke accelereres af samme accelererende kraft, men bevæger sig i jordens kraft. Der er endnu en grund til, at ækvivalensprincippet er forbundet med gravitationsfeltens opførsel ved uendelighed, men nu er det ikke værd at komme ind i disse vildt.

Den anden præcisering er noget fra en anden opera. Fra ovenstående formulering af ækvivalensprincippet følger det straks, at i alle gravitationsfelter bevæger alle kroppe under de samme indledende forhold sig på nøjagtig samme måde – langs de samme rumtidsbaner. Denne erklæring hedder loven om universalitet af frit fald eller svagt ækvivalensprincip. Dens empiriske grundlag er netop ligeværdigheden af ​​inerte og tunge masser.

Her er der en vis subtilitet.Alle husker, at den specielle relativitetsteori med dens berømte formel E = mc2 faktisk identificerer masse og energi. Da SRT kun beskæftiger sig med inertionssystemer i Minkowskis flade rumtid, ved hun ikke at sige noget om aggressionerne. Følgelig i Einstein formel E = mc2 I henhold til logikens love fremkommer trægemassen, hvorfor det kaldes (ikke helt korrekt) resten af ​​massen. Imidlertid er enhver materiel krop fra proton til stjerne afgrænset af sin egen overbærenhed. Da potentialet for en negativ kraft altid er negativ, reducerer den iboende tyngdekraft kroppens energi og dermed dets rustmasse. Derfor opstår der et naturligt spørgsmål: Er universalitetsloven af ​​frit fald bevaret, når man overvejer sin egen tyngdekraft? Den generelle relativitetsteori forudser, at denne lov virkelig ikke kender nogen undtagelser. Dette er stærkt ækvivalensprincip, og det handlede om ham, der blev diskuteret i begyndelsen af ​​artiklen. Tværtimod afviser de fleste konkurrerende teorier dette princip.

Universaliteten af ​​frit fald (eller ækvivalent ligeværdigheden af ​​inerte og tunge masser) blev gentagne gange afprøvet i præcisionseksperimenter og med mere og mere nøjagtighed.Historien om disse studier er lang og rig, men dens præsentation vil føre os for langt, så vi begrænser os til de vigtigste faser. Pioneren i denne sag var den bemærkelsesværdige ungarske eksperimentelle fysiker Baron Lorand von Etvös. Efter mange års målinger udført ved hjælp af torsionsvægte i det sidste årti af det 19. og det første årti af det 20. århundrede konkluderede Ötvøs, at de inerte og tunge masser falder sammen med nøjagtigheden på en tyve million. Lidt senere reducerede hans kolleger Desiderius Pekar (Dezső Pekár) og Eigen Fekete (Jenő Fekete) dette tal til hundrede millioner (se Eotvos eksperiment). I 1964 bekræftede amerikanske fysikere P. Roll, Robert Krotkov og Robert Dicke massernes lighed med en nøjagtighed på 10−10 (P. G. Roll, R. Krotkov, R. H. Dicke, 1964. Ækvivalensen af ​​den inertiale og passive tyngdekraftmasse) og otte år senere bragte professor Vladimir Borisovich Braginsky fra Moskva statsuniversitet og hans personale det til 10−12. I 2008 bekræftede Eric G. Adelberger, en professor i fysik ved University of Washington i Seattle og kolleger universaliteten af ​​frit fald med en fejl på ikke over 2 × 10−13 (S. Schlamminger et al., 2008. Test af ækvivalensprincippet ved anvendelse af en roterende torsionsbalance). I december sidste år blev de foreløbige resultater af ækvivalensprincippet med accelerometre af den franske satellitmikroskop, der blev lanceret i april 2016, offentliggjort.Disse instrumenter overvåger fire cylindriske testkroppe lavet af forskellige legeringer. Hidtil har vi formået at reducere fejlen til 10−14Pierre Toubul og hans kolleger håber dog også at forbedre dette resultat. Endelig er der i de senere år blevet foreslået eksperimentelle projekter, der lover at bringe nøjagtigheden af ​​sammenligningen af ​​inerte og tunge masser til 10−15 og endda op til 10−18.

Alle disse tidligere, nuværende og fremtidige eksperimenter kan imidlertid kun svare på spørgsmålet om gyldigheden af ​​det svage ækvivalensprincip. For at afprøve det stærke ækvivalensprincip kræves "testlegemer" af kosmisk skala. Her blev gode resultater opnået ved at sammenligne accelerationerne i jorden og månen på grund af solens tiltrækning. De blev meget nøjagtigt målt ved hjælp af refleksionen af ​​laserstråler sendt fra jorden af ​​spejle leveret til månens overflade af sovjetiske automatiske stationer og amerikanske astronauter. Resultaterne af eksperimenter på månens laserplacering viste, at accelerationerne falder sammen med en nøjagtighed på op til 10−13. Men pointeret er, at gyldigheden af ​​at teste det stærke ækvivalensprincip er lig med forholdet mellem denne værdi og den negative korrektion til Jordens hvilemasse på grund af dens tyngdekraft.Da jordbundens selvtiltrækning (i fysisk sprog, dens tyngdekraftbindende energi) reducerer Jordens hvilemasse med ca. 4 × 10−10, accelerationens universalitet i dette tilfælde blev bekræftet med en nøjagtighed på 10−13/4×10−10det er 2,5 × 10−4eller femogtyvende procent (Kip S. Thorne og Roger D. Blandford. Moderne klassisk fysik // Princeton University Press, Princeton og Oxford, 2017, s. 1301). Ved første øjekast ser disse tal imponerende ud, men de kan ikke sammenlignes med nøjagtigheden af ​​verifikation af den svage version.

Men i universet er der superdense himmellegemer, hvis egenart er beregnet til at teste det stærke ækvivalensprincip – neutronstjerner. Deres masser er hovedsagelig 1,3-1,5 sol, og typiske radii – 10-20 km. Den tyngdekraftige bindingsenergi af en neutronstjerne er ca. 10% af sin hvilemasse (denne værdi kan beregnes ved anvendelse af den enkle formel 3GM / 5rc2). I centrene af neutronstjerner er rummet meget buet, hvilket skal tages i betragtning ved test af det stærke ækvivalensprincip. Endelig genererer mange neutronstjerner superkraftig elektromagnetisk stråling i forskellige områder – fra radiobølger til gammastråler. På grund af rotationen af ​​neutronstjernen kommer den til jorden i form af periodiske impulser, og derfor kaldes sådanne kilder pulsarer.De fleste pulsarer udsender i radiobåndet og kaldes naturligvis radiospulser. Nogle af dem laver hundredvis af omdrejninger pr. Sekund, så frekvensen af ​​deres radioimpulser er tusindedel af et sekund – det er millisekund radio pulsarer. Næsten alle er inkluderet i binære systemer og har stjernespartnere. På grund af radiofrekvensernes høje frekvens kan de pågældende systemers orbitalegenskaber bestemmes med stor nøjagtighed ved brug af radioteleskoper.

Det stærke ækvivalensprincip er allerede blevet testet gentagne gange på binære systemer bestående af en radio pulsar og en hvid dværg. Hvide dværge modtager selvfølgelig også en gravitations "fradrag" fra resten massen; det er tusindedele og ti tusinddele af en procent, men selvfølgelig meget mindre end den af ​​pulsaren. Radio teleskoper har allerede sporet karakteristika for sådanne par i det galaktiske felt. Så i år var der en besked om bevægelsen af ​​det dobbelte system "pulsar – hvid dværg" J1713 + 0747. Den sandsynlige forskel i forholdet mellem de tunge og inerte pulserende masser til enhed, beregnet ud fra disse data, viste sig at være ret stor – ca. 2 × 10−3. En så lav nøjagtighed skyldes det faktum, at rollen som forstyrrende tyngdekraft blev spillet af et meget svagt felt i vores Galaxy.

Men held er en god ting. I løbet af en rutinemessig søgning af pulsarer ved hjælp af det amerikanske radioteleskop Green Bank blev der i 2011 fundet et vidunderligt mirakel – den første millisekunds radio pulsar, som ikke er et dobbelt, men et triple-stjernet system (et lignende system blev opdaget i slutningen af ​​det sidste århundrede i M4-klyngen men den er dannet af en radio pulsar, en hvid dværg og en genstand med en masse af en planetskala, der ikke overskrider hundrededel af en solskala. Tre år senere offentliggjorde Scott Ransom (Scott Ransom) og hans kolleger (blandt dem Ann Archibald) detaljerede oplysninger om dette tredobbelte system, som modtog katalogindeks PSR J0337 + 1715. Dens centrale del er dannet af et par bestående af en radio pulsar med en masse på 1,44 sol og hvide dværge, som er fem gange lysere end solen. Pulsaren gør 366 omdrejninger pr. Sekund og tilhører derfor millisekundradio pulsarer. Den pulserende og ledsager dværg kredsløb omkring et fælles centrum af massen med en periode på omkring 39 timer. En stor hvid dværg er trukket rundt om dette par i stor afstand. Dens masse er 0,41 sol, og orbitalperioden er 327 jorddage.Det er særligt interessant, at alle tre stjerner bevæger sig næsten i samme plan i næsten cirkulære baner. Ekscentriciteten af ​​det indre stjernepar er kun 0,7%, og excentriciteten af ​​den ydre dværgbanen ligger ikke over 3,5%.

En grafisk afbildning af et stærkt ækvivalens test eksperiment fra Ann Archibald. Billede fra blogs.discovermagazine.com

Opdagerne af stjerne-triaden PSR J0337 + 1715 i den allerførste rapport angav sine usædvanlige udsigter til at teste det stærke ækvivalensprincip. Faktum er, at den ydre dværgens gravitationsfelt, der virker på det indre stjernepar, er 6-7 størrelsesordener stærkere end galaktisk aggression. Det er derfor, at bestemmelsen af ​​størrelsen af ​​accelerationen af ​​pulsar og den indre dværg på dette felt gjorde det muligt at kontrollere deres tilfældighed (eller mismatch) med tidligere uopnåelig nøjagtighed.

Ordningen for det tredobbelte stjerne system PSR J0337 + 1715. Den kendsgerning, at der ikke blev opdaget nogen deformation af det indre kredsløb (hvad der skulle være sket i tilfælde af forskellen mellem pulsarens og den hvide dværgs accelerationer) bekræfter Einstein-teorien om tyngdekraft (generel relativitetsteori). Billede fra diskuteret artikel Anne M. Archibald et al., 2018.Af bevægelsen af ​​pulsaren i et stjernes tredobbelt system // natur. 2018. V. 559, s. 73-76

Relevante observationer begyndte næsten uden forsinkelse på tre radioteleskoper: Green Bank i USA, Westerbork Radio Telescope i Holland (Westerbork Synthesis Radio Telescope) og det gigantiske teleskop af Arecibo Radio Observatory i Puerto Rico, der hedder sin grundlægger William Gordon Gordon). Resultaterne skuffede ikke forventningerne. Analysen af ​​dataene akkumuleret over 6 år viste, at accelerationen af ​​pulsar og dens partner fra det indre par med et 95% signifikansniveau falder sammen med en relativ nøjagtighed på 2,6 × 10−6. Det betyder, at det stærke ækvivalensprincip nu er blevet testet meget mere pålideligt end observationerne af en pulsar med en enkelt hvid dværg, og eksperimenter på mållens laserplacering er tilladt. Så et meget stærkt resultat er opnået, der fuldt ud retfærdiggør forskernes indsats.

kilder:
1) SM Ransom, IH Trapper, AM Archibald, JWT Hessels, DL Kaplan, MH van Kerkwijk, J. Boyles, AT Deller, S. Chatterjee, A. Schechtman-Rook, A. Berndsen, RS Lynch, DR Lorimer, C. Karako-Argaman, VM Kaspi, VI Kondratiev, MA McLaughlin, J. van Leeuwen, R. Rosen, MSE Roberts & K. Stovall. En millisekund pulsar i et stjernes tredobbelt system // natur. 2014. V. 505. P. 520-524.
2) Anne M. Archibald, Nina V. Gusinskaia, Jason W. T. Hessels, Adam T. Deller, David L. Kaplan, Duncan R. Lorimer, Ryan S. Lynch, Scott M. Ransom og Ingrid H. Trapper. Af bevægelsen af ​​pulsaren i et stjernes tredobbelt system // natur. 2018. V. 559, s. 73-76.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: