Πέμπτη, 8 Ιουνίου 2017

Παρατηρώντας αυτό που ο Αϊνστάιν θεωρούσε αδύνατον να παρατηρηθεί. New confirmation of Einstein's General Theory of Relativity

Το επίτευγμα επιβεβαιώνει για μια ακόμη φορά την ισχύ της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, λίγο πάνω από έναν αιώνα μετά τη δημοσίευσή της. Αυτή η εικόνα μας δείχνει πως η βαρύτητα ενός λευκού νάνου παραμορφώνει τον χώρο και εκτρέπει το φως ενός απομακρυσμένου άστρου που βρίσκεται πίσω από αυτό. This illustration reveals how the gravity of a white dwarf star warps space and bends the light of a distant star behind it. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Μία διεθνής ομάδα αστρονόμων επιβεβαίωσε με παρατηρησιακά δεδομένα πως ένα μακρινό άστρο φαίνεται να βρίσκεται σε διαφορετική θέση στον ουρανό, αν και ανάμεσα σε αυτό και τη Γη παρεμβάλλεται ένα άλλο άστρο το οποίο εκτρέπει το φως του, χωρίς να χρειάζεται τα δύο σώματα να βρίσκονται ακριβώς στην ίδια ευθεία. Πρόκειται για ένα σημαντικό επίτευγμα, αφού, αν και το φαινόμενο αυτό προβλέπεται από τη Γενική Σχετικότητα, ο «πατέρας» αυτής της θεωρίας, δηλαδή ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, θεωρούσε ότι ήταν αδύνατον να παρατηρηθεί.

Έτσι, οι αστρονόμοι από τις ΗΠΑ, τη Βρετανία και τον Καναδά ουσιαστικά προσέφεραν μία ακόμη απόδειξη της Γενικής Σχετικότητας, δείχνοντας παράλληλα ότι ο Αϊνστάιν είχε... άδικο, όταν υποστήριζε πως το φαινόμενο αυτό δεν θα μπορούσε να αποδειχθεί. Μάλιστα, αξιοποιώντας το, κατάφεραν να μετρήσουν τη μάζα του άστρου που παρενεβλήθη, εγκαινιάζοντας επομένως μία νέα τεχνική για αστρικές μελέτες.

Το φαινόμενο αυτό αποτελεί μία παραλλαγή της βαρυτικής μικροεστίασης. Με βάση τη Γενική Σχετικότητα, η βαρυτική μικροεστίαση οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε άστρο λόγω της βαρύτητάς του παραμορφώνει τον περιβάλλοντα χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να συμπεριφέρεται σαν «φακός». Έτσι, όταν αυτός ο «φακός» βρεθεί ανάμεσα στη Γη και ένα άλλο άστρο (την «πηγή») παραμορφώνει τη διεύθυνση διάδοσης του φωτός που εκπέμπει αυτή η «πηγή».

Η λειτουργία των άστρων ως βαρυτικών «φακών» αποτελεί μία πρόβλεψη που κάνει τη Γενική Σχετικότητα να διαφέρει ριζικά από τη Νευτώνεια φυσική και έχει επιβεβαιωθεί ήδη από το 1919 στην περίπτωση του Ήλιου, κάνοντας τότε τη Γενική Σχετικότητα και τον Αϊνστάιν πρωτοσέλιδο στις μεγαλύτερες εφημερίδες της εποχής. Επίσης, εδώ και μερικά χρόνια, οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει πολλές περιπτώσεις βαρυτικής μικροεστίασης, δηλαδή περιπτώσεις όπου ο «φακός» και η «πηγή» βρίσκονται ακριβώς στην ίδια ευθεία, με συνέπεια το φως της «πηγής» να παραμορφώνεται και να σχηματίζει ένα κυκλικό φωτεινό δακτύλιο («δακτύλιο του Αϊνστάιν»).

Ωστόσο, ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε προβλέψει ότι υπάρχει επίσης μία παραλλαγή της  βαρυτικής μικροεστίασης, που συμβαίνει όταν τα δύο άστρα δεν βρίσκονται ακριβώς στην ίδια ευθεία. Τότε, η «πηγή» θα εμφανίζεται ελαφρώς μετατοπισμένη από τη θέση της, ενώ ο δακτύλιος που θα σχηματίζεται θα είναι ασύμμετρος. Ωστόσο, όπως πίστευε, η μετατόπιση της θέσης θα είναι τόσο μικρή, όπως και το μέγεθος του δακτυλίου, που θα ήταν αδύνατον να μετρηθεί.

Διαστημική ζυγαριά

Astronomers made the Hubble observations of the white dwarf, the burned-out core of a normal star, and the faint background star over a two-year period. Hubble observed the dead star passing in front of the background star, deflecting its light. During the close alignment, the distant starlight appeared offset by about 2 milliarcseconds from its actual position. This deviation is so small that it is equivalent to observing an ant crawl across the surface of a quarter from 1,500 miles away. From this measurement, astronomers calculated that the white dwarf’s mass is roughly 68 percent of the sun’s mass. Credit: NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

Τώρα, η διεθνής ομάδα των αστρονόμων κατέρριψε αυτή την πρόβλεψη του Αϊνστάιν, αξιοποιώντας γι’ αυτό τον σκοπό δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Τον ρόλο του «φακού» ανέλαβε ο Stein 2051 B, ένας λευκός νάνος σε απόσταση μόλις 18 ετών φωτός από τη Γη, ο οποίος από τη μετατόπιση της θέσης της «πηγής», υπολόγιζαν πως η μάζα του είναι 0,675 η ηλιακή.

Το βίντεο που ακολουθεί δημιουργήθηκε από οκτώ φωτογραφίες του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble και δείχνει την κίνηση του λευκού νάνου Stein 2051 B καθώς διέρχεται μπροστά από ένα μακρινό άστρο, εκτρέποντας το φως του. Η απόκλιση είναι τόσο μικρή που ισοδυναμεί με την παρατήρηση ενός μυρμηγκιού από απόσταση 1500 μιλίων. Από τις μετρήσεις αυτές υπολογίστηκε πως η μάζα του λευκού νάνου είναι το 68% της μάζας του Ήλιου:


This time-lapse movie, made from eight Hubble Space Telescope images, shows the apparent motion of the white dwarf star Stein 2051 B as it passes in front of a distant star. The observations were taken between Oct. 1, 2013, and Oct. 14, 2015. The path of Stein 2051 B, due to its proper motion combined with its parallax due to the motion the Earth around the Sun, is shown by the wavy cyan line. Its proper motion in one year is shown by an arrow. Its parallax, enlarged by a factor of 5, is shown by an ellipse. Credit: NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

Στο επόμενο βίντεο βλέπουμε τον λευκό νάνο να διέρχεται μπροστά από το απομακρυσμένο άστρο. Εξαιτίας της βαρύτητας του λευκού νάνου το άστρο φαίνεται να μετατοπίζεται από την θέση του:


Astronomers made the Hubble observations of the white dwarf, the burned-out core of a normal star, and the faint background star over a two-year period. Hubble observed the dead star passing in front of the background star, deflecting its light. During the close alignment, the distant starlight appeared offset by about 2 milliarcseconds from its actual position. This deviation is so small that it is equivalent to observing an ant crawl across the surface of a quarter from 1,500 miles away. From this measurement, astronomers calculated that the white dwarf’s mass is roughly 68 percent of the sun’s mass. Credit: NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

Επιπλέον, οι μετρήσεις των Sahu et al είναι πολύ σημαντικές διότι αποδεικνύουν ότι ο Stein 2051B δεν είναι ένας εξωτικός λευκός νάνος με πυρήνα σιδήρου, αλλά μάλλον ένας απλός λευκός νάνος με πυρήνα άνθρακα-οξυγόνου, με συνηθισμένη μάζα και ακτίνα, όπως είχε προβλέψει ο Chandrasekhar και βραβεύθηκε με Νόμπελ φυσικής το 1930.

Η ομάδα ελπίζει ότι στο μέλλον θα εντοπίσει και άλλες περιπτώσεις εκδήλωσης του ίδιου φαινομένου, αξιοποιώντας τα νέας «γενιάς» επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια που βρίσκονται στα σκαριά. Έτσι, θα αξιοποιήσει αυτή τη νέα τεχνική, για να υπολογίσει τις μάζες ακόμη περισσότερων άστρων.

Πηγές: T. D. Oswalt, «A centennial gift from Einstein» - http://www.naftemporiki.gr/story/1244349/ - K.C. Sahu el al., "Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aal2879