Egy egymás körül keringő, rendkívüli sűrűségű csillagpáros tette próbára Einstein általános relativitás elméletét, azonban még nekik sem sikerült fogást találniuk a fizikuson.

A kísérlet alanyai megközelítőleg 7000 fényévre találhatók a Földtől. A páros egyik tagja egy kivételesen nagy tömegű neutron csillag, ami másodpercenként 25 fordulatot tesz, a másik egy körülötte keringő fehér törpecsillag. A rendszer olyan erős gravitációval rendelkezik, ami páratlan tesztelési lehetőséget jelent a gravitációs elméletek számára. A Nature tudományos magazin honlapján megjelent ismertetés szerint a tudósoknak sikerült pontosan megállapítaniuk a két égitest tömegét, ami alapfeltétele volt annak, hogy igazolják a relativitáselmélet működését. (Most először sikerült megmérni hasonló roppant sűrűségű pulzár tömegét.)

A tudósok tudják, hogy Albert Einstein 1915-ben felvázolt általános relativitás elmélete nem fedi le a teljes valóságot. Míg a nagy rendszerekre kiválóan alkalmazható, az egészen kis dolgok fizikáját vezérlő kvantum mechanikával már koránt sem nevezhető összeegyeztethetőnek. Egy olyasvalami esetében, ami rendkívül kicsi, ugyanakkor rendkívül nagy a tömege, mint például egy fekete lyuk, a két elmélet ellentmond egymásnak, így a tudósok fizikai magyarázat nélkül álldogálnak. A megoldáshoz a ritka rendszerek, mint a most vizsgált bináris csillagpár vihet közelebb, megnyitva az utat egy új fizika felé, ami összefésülhetné az elméleteket. "Úgy véltük, ez a rendszer elég szélsőséges lehet ahhoz, hogy csődöt mondjon az általános relativitás, ehelyett azonban Einstein elmélete meglepően jól állta a sarat" - nyilatkozott Paulo Freire, a német Max Planck Rádióasztronómiai Intézet munkatársa.

A bináris rendszerben a fehér törpe egy légkörét vesztett, kiöregedett csillag, ami fokozatosan hűl le. Társa, a neutron csillag egy jóval nagyobb tömegű objektum, olyan sűrűséggel, hogy atomjaiban a protonok és elektronok összeomlottak, neutronokat alkotva. A csillag halálát jelentő szupernóva robbanásban létrejött neutron csillag, egy pulzár, a Nap tömegének a kétszeresével rendelkezik, mindezt egy 19 kilométer átmérőjű területen összezsúfolva. A csillag felszínén a gravitáció 300 milliárdszor erősebb, mint a Földön.


"Az ESO VLT távcsövével vizsgáltam a rendszert, a fehér törpe által kibocsátott fény változásait figyelve, amit a pulzár körüli mozgása okozott" - nyilatkozott John Antoniadis az intézet kutatója, a Science-ben megjelent tanulmány szerzője. "Egy gyors elemzés elvégzésével felismertem, hogy a pulzár egy igazi nehézsúlyú, tömege körülbelül a kétszerese a Napénak, ezáltal az általunk ismert legnagyobb tömegű neutron csillag, egyben kiváló laboratórium az alapvető fizika számára."

A pulzár által létrehozott gravitációs mező annyira erős, hogy a tudósok gyanúja szerint a körülötte keringő fehér törpe mozgása eltérhet az általános relativitás által megjósolttól. Einstein elmélete szerint a nagy tömegű objektumok meghajlítják maguk körül a teret és az időt, ezáltal más objektumok, sőt még a fény is a meghajlott útvonal mentén halad az objektum közelében. Az általános relativitás azt is kimondja, hogy egy ilyen bináris rendszerben az egyik fél gravitációs hullámok formájában gravitációs energiát sugároz. Ez az energiaveszteség idővel enyhe változásokat eredményez a rendszer keringési periódusában.

A gravitációs hullám a téridő görbületének hullámszerűen terjedő megváltozása, amelyet a német tudós elmélete felvázol. Nemcsak a klasszikus értelemben megfogalmazott tömegvonzás "mellékterméke", hanem minden gyorsuló tömeg kelti. A gravitációs hullámokat előidéző rendszerek fontos példái a kettőscsillagok. A hullámhatás azonban olyan kicsi, hogy olyan objektumok esetében, amelyek sűrűsége nem rendkívüli és nem szoros rendszerben keringenek egymás körül, gyakorlatilag észlelhetetlen következményekkel jár. A kiszemelt csillagpáros ideális "vizsgálati anyagnak" számított egyrészt tömegük, másrészt a köztük lévő kis távolság miatt, amely alig kétszerese a Föld és a Hold közötti távolságnak. A csillagászok két éven át követték nyomon a pulzárt és a fehér törpét, rögzítve a neutroncsillag által kibocsátott rádióhullámokat a világon található három legnagyobb tányérantennával.

A gravitációval kapcsolatos alternatív elméletek némileg eltérő jóslatokat adnak a fehér törpe mozgására. "Észleléseink annyira pontosak voltak, hogy a keringési periódus évenkénti változását nyolcmilliomod másodpercben állapítottuk meg, ami pontosan megfelel az Einstein elmélete által megjósoltnak" - összegzett Freire. Bár az eredmények nem segítenek a fizikusoknak az alapvető gravitációs dilemma megoldásában, megerősítik, hogy a gravitációs hullámok észlelésére tett jelenlegi erőfeszítések, melyek Einstein jóslatain alapulnak, jó úton haladnak.

A fizikustársadalom felfogása szerint az általános relativitáselméletnek bizonyos ponton csődöt kell mondania, mert nem foglalja magában a tömeggel nem, de energiával rendelkező graviton részecskét kimutató kvantummechanikát. A modern fizika régóta megoldatlan kihívása, hogy egyesítse az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, vagyis kidolgozza a nagy egyesített elméletet - a kvantumgravitáció elméletét -, amely a legkisebb idő- és távolságskálán is alkalmazható. "Vizsgálataink eredménye azonban azt jelzi, hogy még keményebben kell dolgoznunk, hogy az összeférhetetlenséget a gyakorlatban is nyakon csípjük" - közölte Ryan Lynch, a montreali McGill Egyetem csillagásza, aki tagja volt a nemzetközi tudóscsapatnak.