En hvit dverg-stjerne med en nøytron-stjerne i bane rundt seg. Begge disse stjernene deformerer rommet rundt seg på grunn av sin store masse. Dette er en kunstnerisk framstilling.
En hvit dverg-stjerne med en nøytron-stjerne i bane rundt seg. Begge disse stjernene deformerer rommet rundt seg på grunn av sin store masse. Dette er en kunstnerisk framstilling.

Forskere bekrefter Einsteins teorier nok en gang

To svært massive stjerner som går i bane rundt hverandre bekrefter en ide som har blitt kastet rundt siden 1910-tallet.

Publisert

Einsteins generelle relativitetsteori har gang på gang vist seg å forutsi fenomener som vi kan se ute i universet.

I 2015 ble gravitasjonsbølger bekreftet, etter mange tiår med leting - en konsekvens av hvordan relativitetsteorien beskriver universets oppbygning.

Ifølge Einsteins teorier er universet bygget opp av romtiden, og både universet og tiden kan bøyes og strekkes av hastigheter eller massive ting.

Gravitasjonsbølger er krusninger i denne romtiden, men det krever ekstreme hendelser for at vi skal kunne måle disse gravitasjonsbølgene på jorden. Så ekstremt at det krevde svært presise måleinstrumenter og to sorte hull som kolliderte og smeltet sammen før forskere kunne slå fast at gravitasjonsbølger eksisterer.

Noen av forskerne som bidro til oppdagelsen vant Nobelprisen i fysikk i 2017.

Sorte hull viser seg å eksistere slik Einstein forutså, og eksotiske ideer som gravitasjonslinser og tidsdilatasjon har også vist seg å være beskrivelser av virkeligheten. Les mer om disse fenomenene på forskning.no.

En ny studie publisert i tidsskriftet Science viser nok en bekreftelse av Einsteins matematiske teorier ute i universet.

Det er snakk om den såkalte treg-dra-effekten, som Øyvind Grøn forklarer til forskning.no. Han er professor emeritus ved Universitet i Oslo, og foreleste om Einsteins teorier i flere tiår.

Akkurat hva treg-dra-effekten er for noe, skal vi komme tilbake til.

– Disse forskerne har vist effekten under forhold med veldig sterke gravitasjonsfelt, sier Grøn til forskning.no.

Forskerne har observert to massive stjerner i nesten 20 år. Stjernene ligger over 10.000 lysår fra jorda og går i tett bane rundt hverandre, men denne banen har vist et merkelig fenomen.

Istedenfor at banen har holdt seg i samme orientering gjennom denne tiden, har hele ellipsen dreid i rommet i perioden forskerne har fulgt med. Dette illustreres i videoen under:

Dette dreiningen forklares hovedsakelig med den såkalte dra-effekten, eller frame-dragging som forskerne kaller det.

Men hva er denne effekten?

Romtiden kan strekkes

Da kommer vi tilbake til Einsteins romtid, hvor selve universet er bøyelig og fleksibelt, og ikke et statisk materiale.

Ideen er at store, massive objekter trekker rommet med seg når de spinner rundt, som en tornado eller vann som spinner rundt sluket.

Rommet beveger seg raskere jo nærmere man kommer et massivt objekt, som vannet som nærmer seg sluket.

Men som med gravitasjonsbølgene, er denne effekten ekstremt svak og vanskelig å måle, forteller Grøn.

– Man kan forestille seg rommet som en elv rundt jorden, og jorden spinner rundt sin egen akse en gang i døgnet. Jorda trekker romelven med seg slik at den også roterer, men denne rotasjonen er veldig sakte.

Faktisk så sakte at rommet bruker 30 millioner år på å bevege seg en gang rundt jorda.

Denne rom-virvelen har faktisk blitt målt i bane rundt jorden, så effekten er allerede bekreftet, men den har ikke blitt vist i slike massive stjernesystemer før.

– Testene på jorden er gjort i et fryktelig svakt gravitasjonsfelt, sier Grøn.

Denne effekten kalles Lense-Thirring-effekten, etter to fysikere som i 1918 trakk denne effekten ut av matematikken fra Einsteins generelle relativitetsteori.

Likevel er det flere som har pekt på Einstein selv utledet denne effekten før Lense og Thirring, og burde faktisk også tilskrives han, ifølge denne studien publisert i tidsskriftet General Relativity and Gravitation i 2007.

To massive stjerner

Dette stjernesystemet som forskerne har observert kalles PSR J1141–6545, så systemet har ikke det mest minneverdige navnet.

Det består av to svært massive stjerner som går i bane rundt hverandre, en hvit dverg-stjerne og en pulsar - en type nøytronstjerne.

Hvite dverger er restene av kjernen til en større stjerne enn vår egen sol, som er på slutten av sin livssyklus. Denne er omtrent like massiv som vår egen sol, men på størrelse med jorda.

Pulsaren er en nøytronstjerne, og er blant de objektene ute i verdensrommet som samler mest masse på et lite område. Denne er rundt 1,3 ganger ganger så massiv som vår egen sol. Dette er konsentrert i en liten kule med en radius på bare 10 kilometer.

Forskerne kan presist måle hvordan banen til pulsaren endrer seg, fordi den sender ut kraftige radiosignaler fra polene. Disse signalene kan plukkes opp på jorden hver gang radiostrålene sveiper innom oss.

Begge disse to spinner raskt, og pulsaren spinner rundt 2,5 ganger per sekund. Disse store massene og raske hastighetene gjør at Lense-Thirring-effekten blir langt kraftigere her enn den kan måles ved jorden.

I løpet av de 20 årene forskerne har studert stjernene, har altså hele systemet tippet over på siden.

Dette kan delvis forklares ved at den hvite dvergen strekker selve romtiden, og dermed endrer romtiden i mye større omfang enn rundt jorden. Hva som egentlig skjer her er komplisert, men modeller viser at de må bruke Lense-Thirring-effekten for å forklare denne endringen.

Dette er også illustrert i videoen over, hvor forskerne har brukt grafikk for å illustrere hvordan romtiden blir deformert rundt den hvite dvergen.

Dette stjernesystemet kalles også et testlaboratorium for generell relativitetsteori.

Noen av de samme forskerne har tidligere vist hvordan banen til denne dobbeltstjernen sakte, men sikkert krymper inn, ifølge denne studien, publisert i 2019 i tidsskriftet Physical Review D.

Dette skyldes et energitap. Noe av energien i systemet går rett og slett med på å lage de nesten ikke målbare gravitasjonsbølgene.

Referanse:

Krishnan mfl: Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system. Science, 2020. DOI: 10.1126/science.aax7007 . Sammendrag