16年の実験でアインシュタインの最も偉大な理論に挑戦 – 極端な星でテストされた一般的な相対性理論

イースト・アングリア大学とマンチェスター大学の研究者たちは、アインシュタインの一般相対性理論に挑戦するために16年にわたる実験を実施するのに役立ちました。

国際チームは、世界中の7つの電波望遠鏡を通して星（まさにパルサと呼ばれる一対の極限の星）を観察しました。

そして彼らはそれらを使って最も厳しいテストを通してアインシュタインの最も有名な理論に挑戦しました。

ジャーナルに今日（2021年12月13日）掲載された研究 物理レビューX、期待していたが、今初めて観察された新しい相対論的効果を示します。

UEA物理学部のロバート・ファードマン博士は次のように語った。

研究者たちは、アインシュタインの一般相対性理論に挑戦するために、16年にわたる実験を行いました。 国際チームは、世界中の7つの電波望遠鏡を通して星（まさにパルサーと呼ばれる一対の極限星）を観察しました。 クレジット：マックスプランク電波天文学研究所

「100年以上経っても、世界中の科学者たちは彼の理論で欠陥を見つけるための努力を続けています。

「一般的な相対性理論は、量子力学が説明する他の基本的な力と両立することはできません。 したがって、理論が崩壊する方法と時期を発見するために、一般的な相対性理論について可能な限り厳しいテストを続けることが重要です。

「一般的な相対性理論から抜け出すことを見つけることは、宇宙の現在の理論的理解を超えて、新しい物理学のための窓を開く主な発見になるでしょう。

「そして、それは最終的に自然の根本的な力の統一された理論を発見するのに役立ちます.」

ドイツのボンにあるマックスプランク電波天文研究所のミハエル・クレーマーが率いる10カ国の国際研究チームは、アインシュタインの理論を最も厳しいテストに適用しました。

Ferdman博士は次のように語った。 パルサー 磁気刺激から電磁放射ビームを放射する高度に磁化された回転する小型星です。

「彼らは私たちの太陽よりも重いですが、直径は約15マイルです。 したがって、灯台のように空をさらっているラジオビームを生成する非常に密な物体です。

「私たちは2003年にチームメンバーが発見したデュアルパルサーを研究し、現在アインシュタインの理論をテストする必要がある最も正確な実験室を提供しています。 もちろん、彼の理論は、この種の極端な星やそれらを研究するために使用される技術がすべて想像できないときに考えられました」。

デュアルパルサーは、約100万km / hの速度でわずか147分で互いに公転する2つのパルサーで構成されています。 1つのパルサーは毎秒約44回で非常に速く回転します。 同僚は若く、2.8秒の回転周期を持っています。 ほぼ完璧な重力ラボとして使用できるのはお互いの動きです。

オーストラリア、アメリカ、フランス、ドイツ、オランダ、イギリス（Lovell電波望遠鏡）で7つの敏感な電波望遠鏡がこの二重パルサーを観察するために使用されました。

Kramer教授は次のように述べています。

「嬉しいことに、私たちはアインシュタイン理論の礎石をテストすることができました。 重力波「ノーベル賞を受賞したHulse-Taylorパルサーより25倍正確で、重力波探知機で現在可能なものより1000倍優れています。」

彼は観察が理論と一致するだけでなく、「我々は以前に研究できなかった効果も見られた」と説明した。

マンチェスター大学のベンジャミン・ステッパーズ教授は次のように述べています。 。 強い重力場の構造と進化の測定

「Jodrell Bank ObservatoryのLovell Telescopeは、その後2週間ごとにそれを監視しています。 高品質で頻繁な観察のこの長いベースラインは、世界中の天文台のデータと組み合わせることができる優れたデータセットを提供しました。

バンクーバーのブリティッシュコロンビア大学のIngrid Stairs教授は、次のように述べています。

「私たちは、同伴者の周りの時空間の強い曲率によって光が遅れるだけでなく、私たちが検出できる0.04度の小さな角度で光が偏向されることを初めて見ました。 このような高い時空間曲率でこれらの実験を行ったことはありません。

オーストラリア国立科学機関のCSIROのディックマンチェスター教授は、「このような密集した物体の高速軌道運動は太陽より約30％重いが、直径は約24kmに過ぎない。相対性理論 – 合計7つ！

「重力波と光の伝播に加えて、私たちの精度により、重力場で時計がゆっくり動作するようにする「時間膨張」の効果も測定できます。

「私たちはアインシュタインの有名な方程式E = mcを取るべきです。² 急速に回転するパルサーが放射する電磁放射が軌道運動に及ぼす影響を考慮するときに考慮される。

「この放射線は毎秒800万トンの質量損失に相当します。これは多くのように見えますが、1秒あたりのパルサー質量の1000億分の3（！）のごくわずかです。」

研究者たちはまた、100万分の1の精度で軌道の方向を変えることを測定しました。

彼らは、このレベルの精度で回転するパルサーと共に「引き寄せる」周囲時空間に対するパルサー回転の影響も考慮しなければならないことに気づきました。

この研究のもう一つの主な著者であるMPIfRのNorbert Wex博士は、次のように述べています。 「物理学者はこれをLense-Thirring効果またはフレームドラッグと呼びます。 私たちの実験では、パルサーの内部構造を次のように考慮する必要があることを意味します。 中性子別。

「したがって、私たちの測定は、中性子ごとの拡張に対する制約を提供するために、パルサータイミングと呼ばれる技術である中性子ごとの回転の正確な追跡を初めて使用することを可能にします。」

パルサータイミング技術は、システムに対する慎重な干渉計測定と組み合わせて、高解像度イメージングで距離を決定し、その結果、2400光年の値と8％の誤差余裕がありました。

この実験のこの部分を担当しているオーストラリアのSwinburne大学のAdam Deller教授は、次のように述べています。 過去の同様の研究は、そのようなシステムの距離に関する限られた知識のためにしばしば妨げられました。

これは、パルサーのタイミングと干渉計に加えて、性間媒体による効果から得られる情報も慎重に考慮した場合ではない。

カリフォルニア大学サンディエゴ大学のビル・コレス教授は次のように同意します。 「私たちはシステムに関するすべての可能な情報を収集し、核物理学、重力、星間媒体、 血漿 物理学など。 これはかなり異例のことです。」

MPIfRのPaulo Freire氏は、次のように述べています。

「彼らはまた、自由落下の普遍性の独立した優れたテストを提供する恒星三重計でパルサーを使用したタイミング実験などの他のパルサー実験を補完します」

Kramer教授は次のように付け加えた。 「私たちは前例のない精度レベルに達しました。 より大きな望遠鏡を使用した将来の実験は、はるかに遠くに行くことができ、今後も続くでしょう。

「私たちの研究は、そのような実験がどのように行われるべきか、そしてどのような微妙な効果が考慮されるべきかを示しました。 そして、おそらくいつかは、一般的な相対性理論から抜け出すことを発見するでしょう。」

参照：M. Kramer et al。、2021年12月13日の「デュアルパルサーを使用した強壮重力試験」、 物理レビューX。
DOI：10.1103 / PhysRevX.11.041050