Stała grawitacyjna może być stałą uniwersalną

Trwające aż 21 lat badania układu bardzo starych gwiazd — pulsara I białego karła — dały astronomom nowe informacje na temat tego, jak grawitacja zależy od miejsca we Wszechświecie. Badania zostały przeprowadzone przy pomocy dwóch słynnych radioteleskopów: z Green Bank i Obserwatorium Arecibo.

Źródło: Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Czy stała grawitacyjna jest wszędzie i zawsze taka sama, a na dodatek niezmienna? Fakt, że naukowcy mierząc ją w naszym Układzie Słonecznym i w odległych systemach gwiazdowych otrzymują tę samą wartość, zdaje się potwierdzać, że ma ona istotnie charakter uniwersalny.

Grawitacja, jedna z czterech podstawowych sił natury, wydaje się nam teraz pocieszająco niezmienna w skali całego Wszechświata. Świadczą o tym wieloletnie badania dość odległego od nas pulsara. Być może właśnie uzyskaliśmy odpowiedź na jedno z najstarszych pytań kosmologii: czy siła grawitacji jest wszędzie i przez cały czas taka sama? Odpowiedź jak na razie brzmi: tak.

Badania z użyciem radioteleskopu Green Bank w Zachodniej Wirginii i największego jak dotychczas na świecie, trzystumetrowego radioteleskopu Arecibo z Puerto Rico trwały aż 21 lat. Tyle trzeba było czasu, by dokładnie zmierzyć nieustanne "tykanie" pulsara PSR J1713+0747. Te żmudne badania, (podczas których, nawiasem mówiąc, dałoby się około pięć razy obronić doktorat z innej tematyki dotyczącej Kosmosu!) dały nam jednak coś bardzo ważnego – najbardziej jak dotąd precyzyjny pomiar stałej grawitacyjnej, zmierzonej poza Układem Słonecznym.

Pulsary to szybko obracające się wokół własnej osi, nadgęste pozostałości po masywnych gwiazdach, które wybuchły jako supernowe. Można je obserwować z Ziemi na falach radiowych - emitowanych przez ich bieguny magnetyczne. Są one tak gęste i masywne, a przy tym mają tak małe rozmiary – typowy promień rzędu zaledwie 20 - 25 km – że w wielu przypadkach mogą utrzymać swoje tempo wirowania z dokładnością porównywalną do precyzji najlepszych zegarów atomowych na Ziemi. To sprawia, że pulsary są w rzeczywistości doskonałymi kosmicznymi laboratoriami do badań podstawowej natury przestrzeni, czasu i grawitacji.

Ten konkretny pulsar leży w odległości mniej więcej 3750 lat świetlnych od Ziemi i okrąża swego towarzysza – białego karła. Jest jednym z pulsarów o najbardziej niezmiennym okresie obrotu wokół własnej osi. Natomiast każde jedno okrążenie białego karła zajmuje mu około 68 dni, co oznacza, że wzajemna odległość obu gwiazd jest niespotykanie duża. To ważne dla badań nad grawitacją, bowiem zjawisko promieniowania grawitacyjnego, czyli nieustającej konwersji prędkości orbitalnej ciała na fale grawitacji, jest wyjątkowo trudne do wykrycia – a co więcej, przy ciaśniejszej orbicie obu składników miałoby zaniedbywalny wpływ na orbitę samego pulsara. Ten niesamowity układ gwiazdowy oferuje astronomom dowód na to, że zasadnicza siła grawitacji pozostaje taka sama w całej przestrzeni. Ma to bardzo poważne implikacje dla całej kosmologii i dla czterech podstawowych sił w fizyce.
Dane zebrane podczas tego eksperymentu wskazują na to, że stała grawitacji w tym odległym systemie gwiazdowym jest faktycznie niezmienna. Wcześniej ten sam wynik przyniosły podobne badania przeprowadzone w Układzie Słonecznym, w oparciu o precyzyjne pomiary laserowe w obrębie układu Ziemia-Księżyc.

Wyniki te pozwalają z dużym prawdopodobieństwem wykluczyć istnienie "wyróżnionych" czasów i miejsc we Wszechświecie, w których grawitacja jest inna. Takie możliwości były już brane pod uwagę – teraz naukowcy mogą jednak wprowadzić nowe ograniczenia na niektóre parametry opisujące teorie kosmologiczne. Stała grawitacyjna jest absolutnie podstawową stałą w fizyce, ważne jest zatem, aby przetestować jej stałość przy użyciu obiektów położonych w różnych miejscach, czasach i warunkach. Fakt, że grawitacja zdaje się być taka sama w Układzie Słonecznym i w dalekim układzie gwiazdowym, potwierdza na dziś dzień, że jej stała jest naprawdę stała uniwersalną.

Cały artykuł: W. Zhu et al. Testing Theories of Gravitation Using 21-Year Timing of Pulsar Binary J1713+0747

Liczba odsłon: 1872