Matematyk udowodnił niestabilność jednego z rodzajów czasoprzestrzeni
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Międzynarodowy zespół naukowy pracujący pod kierunkiem uczonych z University of Cambridge wykorzystał dwa teleskopy do bezpośredniego zmierzenia masy białego karła metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Specjaliści obserwowali, jak światło z odległej gwiazdy zagina się wokół karła LAWD 37. Po raz pierwszy udało się zaobserwować takie zjawisko w odniesieniu do izolowanej gwiazdy innej niż Słońce i po raz pierwszy zmierzono w ten sposób masę takiej gwiazdy.
Białe karły powstają z gwiazd podobnych do Słońca po ustaniu w nich reakcji jądrowych. To niezwykle gęste obiekty składające się ze zdegenerowanej materii. LAWD 37 jest przedmiotem intensywnych badań. Znajduje się w odległości zaledwie 15 lat świetlnych od nas i powstał około 1,15 miliarda lat temu. Dzięki temu, że jest on tak blisko, mamy o nim dużo informacji. Brakowało nam pomiarów masy, mówi główny autor badań, doktor Peter McGill. Wraz z kolegami wykorzystał on Teleskopy Gaia i Hubble do przeprowadzenia pomiarów z wykorzystaniem przewidzianego przez Einsteina zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego.
Einstein przewidział je w Ogólnej Teorii Względności stwierdzając, że gdy na tle odległej gwiazdy będzie przechodził masywny niewielkie obiekt, to docierające do nas światło z tej gwiazdy zostanie zagięte w wyniku oddziaływania grawitacyjnego tego obiektu. Efekt ten jako pierwsi potwierdzili w 1919 roku brytyjscy astronomowie, Arthur Eddington i Frank Dyson, podczas zaćmienia Słońca. Einstein sceptycznie odnosił się jednak do możliwości wykrycia go dla gwiazdy spoza Układu Słonecznego. Dopiero w 2017 roku udało się go potwierdzić dla znajdującego się w układzie podwójnym białego karła Stein 2051 b. Teraz po raz pierwszy zaobserwowano go dla pojedynczej gwiazdy spoza Układu Słonecznego.
Zespół McGilla wykorzystał dane z Teleskopu Gaia do dokładnego ustawienia Teleskopu Hubble'a w odpowiednim miejscu i czasie. Pomiarów dokonano w listopadzie 2019 roku. Przez kolejne lata naukowcy zajmowali się wyizolowaniem światła odległej gwiazdy z całego tła. Efekt soczewkowania był bowiem bardzo słaby. Jak mówi McGill, to tak, jakby mierzyć długość widzianego z Ziemi samochodu znajdującego się na Księżycu. Efekt ten był 625 razy mniejszy niż zagięcie obserwowane w 1919 roku podczas zaćmienia. Gdy w końcu udało się wyizolować sygnał z soczewkowania, naukowcy byli w stanie stwierdzić, o ile – w wyniku zagięcia światła – pozornie zmieniła się pozycja gwiazdy w tle. Jako, że ta wielkość jest proporcjonalna do masy białego karła, naukowcy mogli obliczyć, że masa LAWD 37 wynosi 56% masy Słońca. Pomiary potwierdziły obecnie obowiązujące teorie odnośnie ewolucji białych karłów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po 16 latach badań opublikowano wyniki eksperymentu, który miał poszukać luk w ogólnej teorii względności Einsteina. Teorię poddano testom w ekstremalnych warunkach, wykorzystując w tym celu parę pulsarów, które obserwowano przez siedem różnych teleskopów. Teraz, na łamach Physical Review X naukowcy informują o zaobserwowaniu nowych zjawisk relatywistycznych. Ich istnienie teoretycznie przewidziano wcześniej, ale dopiero teraz udało się je zaobserwować.
Wielokrotnie udowodniono, że ogólna teoria względności (OTW) Einsteina się sprawdza, jednak wiemy, że nie mówi ona ostatniego słowa w dziedzinie teorii grawitacji. Ponad 100 lat po jej sformułowaniu naukowcy wciąż poszukują w niej luk, mówi doktor Robert Ferdmanz University of East Anglia.
Uczony przypomina, że OTW jest niekompatybilna z oddziaływaniami podstawowymi opisywanymi przez mechanikę kwantową. Dlatego też uczeni na całym świecie poddają teorię Einsteina wymagającym testom, by znaleźć jej słabości. Odkrycie znacznego odejścia od OTW byłoby ważnym odkryciem, które otworzyłoby nam drzwi do nowej fizyki, wykraczającej poza nasze aktualne rozumienie wszechświata. A to z kolei mogłoby ewentualnie doprowadzić do opracowania teorii unifikującej wszystkie podstawowe siły natury.
Dlatego też zespół pod kierunkiem Michaela Kramera z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn, rozpoczął przed laty jeden z najbardziej rygorystycznych testów teorii względności.
Pulsar to wysoce namagnetyzowana wirująca kompaktowa gwiazda, która z biegunów magnetycznych emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Masa pulsarów naszych jest większa od masy Słońca, ale ich średnica wynosi zaledwie około 20 kilometrów. Są to więc niewiarygodnie gęste obiekty, które jak latarnie morskie omiatają przestrzeń kosmiczną za pomocą fal radiowych, wyjaśnia Ferdman.
Naukowcy postanowili przyjrzeć się podwójnemu pulsarowi, który odkryli w 2003 roku. To najbardziej precyzyjne laboratorium do testowania teorii Einsteina. Teorii, która powstała, gdy ani nie wiedziano o istnieniu takich gwiazd, ani nie istniała technologia pozwalająca na ich badanie, mówią uczeni.
Zwykle pulsar podwójny składa się z pulsara i obiektu typu gwiazdowego (np. białego karła, gwiazdy neutronowej). Uczeni wzięli na warsztat niezwykle rzadki typ pulsara podwójnego, w którym oba obiekty są pulsarami. Gwiazdy wędrują wokół siebie wykonując pełne okrążenie w ciągu 147 sekund, pędząc przy tym z prędkością około 1 miliona km/h. Jedne z obserwowanych pulsarów wiruje z prędkością około 44 razy na sekundę. Jego towarzysz jest młodszy i wiruje z prędkością 2,8 obrotu na sekundę. Jednak to ruch pulsarów względem siebie tworzy idealne laboratoriów do testów teorii grawitacji.
Układ PSR J0737–3039A/B obserwowano za pomocą siedmiu teleskopów z USA, Australii, Francji, Niemiec, Holandii i Wielkiej Brytanii. Dzięki temu osiągnęli niezwykłą precyzję pomiarową.
Byliśmy w stanie przetestować kamień węgielny teorii Einsteina, fale grawitacyjne, z dokładnością 1000-krotnie większą niż współczesne wykrywacze fal grawitacyjnych i 25-krotnie większą niż badania pulsara podwójnego Hulse-Taylora (PSR B1913+16), za którego odkrycie i analizę Hulse i Taylor otrzymali Nagrodę Nobla, cieszy się profesor Kramer.
Analizowaliśmy drogę fotonów fal radiowych emitowanych przez pulsar i badaliśmy ją w silnym polu grawitacyjnym drugiego pulsara. Po raz pierwszy obserwowaliśmy, że fotony były spowalniane nie tylko przez silne zakrzywienie czasoprzestrzeni w pobliżu towarzyszącego pulsara, ale również, że są one odginane o 0,04 stopnia. Nigdy wcześniej tego nie obserwowano, mówi profesor Ingrid Stairs z University of British Columbia.
Dzięki temu, że wykorzystano tak niezwykły obiekt jak pulsar, który bardzo szybko się obraca, jest o 30% bardziej masywny od Słońca i ma zaledwie 24 kilometry średnicy, można było przetestować wiele koncepcji OTW. Oprócz fal grawitacyjnych i rozchodzenia się światła mogliśmy nawet zmierzyć dylatację czasu w polu grawitacyjnym. Gdy badaliśmy emisję elektromagnetyczną pulsara musieliśmy wziąć pod uwagę słynne równanie E=mc2. Okazało się, że nasz pulsar traci w ciągu sekundy aż 8 milionów ton masy. Jednak tylko pozornie jest to dużo. To zaledwie 3 części na tysiąc miliardów miliardów jego masy całkowitej, dodaje profesor Dick Manchester z australijskiego CSIRO.
Naukowcy zauważyli też kolejny efekt relatywistyczny. Z dokładnością do 1 części na milion zmierzyli zmiany orientacji orbity pulsara. Efekt ten znany jest też z orbity Merkurego, jednak w przypadku badanego pulsara jest 140 000 razy silniejszy.
Połączenie różnych technik pomiarowych pozwoliło też stwierdzić, że odległość pomiędzy Ziemią a pulsarem podwójnym wynosi 2400 lat świetlnych i zawęzić margines błędu do 8%. To bardzo istotne, gdyż wyniki wielu badań odległych obiektów były bardzo niepewne ze względu na niepewność odnośnie ich położenia.
Zebraliśmy o tym systemie wszelkie możliwe informacje i na tej podstawie zbudowaliśmy perfekcyjnie spójny obraz, wykorzystując w tym celu wiele dziedzin fizyki: fizykę jądrową, grawitację, fizykę ośrodka międzygwiezdnego, fizykę plazmy i wiele innych, dodaje profesor Bill Coles z University of California San Diego. Uzyskane w ten sposób wyniki zgadzają się i uzupełniają wyniki innych eksperymentów.
Osiągnęliśmy niespotykaną dotychczas precyzję. Przyszłe eksperymenty, z użyciem jeszcze większych teleskopów, pokażą jeszcze więcej, mówi Kramer.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Błędy, nawarstwiające się podczas analiz fal grawitacyjnych z różnych źródeł, mogą prowadzić do wyciągnięcia fałszywych wniosków, że ogólna teoria względności nie opisuje dobrze rzeczywistości, a prawdziwe są alternatywne teorie dotyczące grawitacji. Takie ostrzeżenie wystosowali brytyjscy naukowcy, którzy przeanalizowali sposób gromadzenia się tego typu błędów podczas analiz.
Zarejestrowanie fal grawitacyjnych przez detektor LIGO było jednym z najważniejszych dowodów na prawdziwość ogólnej teorii względności. Jednak fizycy mają nadzieję, że w sygnałach fal grawitacyjnych znajdą też dowody na istnienie błędów w teorii względności. Jako, że teoria Einsteina jest niekompatybilna z mechaniką kwantową, naukowcy podejrzewają, iż nie opisuje ona całościowo interakcji grawitacyjnych. Dlatego też dokonują szczegółowych porównań właściwości fal grawitacyjnych z ogólną teorią względności, a każdą niezgodność interpretują jako możliwe luki w teorii.
Christopher Moore i jego zespól z University of Birmingham podkreślają, że dotychczas wszystkie obserwacje fal grawitacyjnych były zgodne z założeniami Einsteina. Jednak w miarę, jak czułość amerykańskiego LIGO i europejskiego Virgo będzie rosła, a kolejne detektory również włączą się w badanie fal grawitacyjnych, będą dokonywane coraz bardziej szczegółowe analizy. Nie można więc wykluczyć, że autorzy tych analiz zauważą coś, co będą interpretowali jako potwierdzenie alternatywnych teorii.
Moore i jego zespół przyjrzeli się możliwym błędom, które mogą wystąpić podczas analiz różnych wydarzeń generujących powstanie fal grawitacyjnych. Ku swojemu zdumieniu zauważyli, że gdy tworzone są katalogi sygnałów fal grawitacyjnych, drobne błędy nawarstwiają się szybciej, niż przypuszczano.
Naukowcy wyjaśniają, że modelowanie fal grawitacyjnych to bardzo złożony proces. Wprowadza się więc pewne uproszczenia, by przeprowadzanie obliczeń było możliwe. Uproszczenia te polegają m.in. na ignorowaniu pewnych zjawisk fizycznych, np. pochodzących ze spinu czarnych dziur czy ekscentryczności ich orbit. A nawet wówczas, po rezygnacji z części danych, komputery mają problem z dokonaniem dokładnych obliczeń.
Brytyjscy naukowcy stwierdzili, że tempo akumulacji błędów zależy od tego, w jaki sposób łączone są różne wydarzenia generujące fale grawitacyjne. Innymi słowy, wiele zależy od tego, jak do obliczeń dodawane są kolejne parametry. Z jednej strony mamy bowiem stałe parametry, jak np. masę hipotetycznego grawitonu, z drugiej zaś parametry zmienne, jak te dotyczące „włosów” czarnych dziur. Ponadto akumulacja błędów zależy też od tego, jak błędy w modelowaniu rozłożone są w całym katalogu, w którym gromadzone są poszczególne wpisy i w jakim stopniu prowadzą one do odchyleń, czy zawsze przesuwają odchylenia w obliczeniach w tym samym kierunku, czy też je uśredniają.
Moore i koledzy zauważyli, że nawet gdy wykorzystywany model dobrze nadaje się do analizy konkretnego wydarzenia związanego z generowaniem fal grawitacyjnych, to przy wykorzystaniu go do analizy całego katalogu wydarzeń mogą pojawić się błędy, fałszywie wskazujące na prawdziwość teorii alternatywnych wobec ogólnej teorii względności.
Inni specjaliści chwalą Brytyjczyków. Nicolás Yunes z University of Illinois Urbana-Chapaign mówi, że o problemie błędów wskazujących na nową fizykę wiadomo nie od dzisiaj, jednak praca ekspertów z Wielkiej Brytanii to doskonały punkt wyjścia do dalszych badań nad tym problemem i metodami jego przezwyciężenia. Katerina Chatzioannou z California Institute of Technology przyznaje, że obecnie wykorzystywane modele są wystarczająco dobre, by analizować dostępne dane z fal grawitacyjnych, jednak nie wiadomo, czy sprawdzą się one w przyszłości.
W miarę, jak coraz więcej dowiadujemy się o falach grawitacyjnych i ich właściwościach, powinniśmy być w stanie korygować błędy, o których jest mowa w badaniach, dodaje Emanuele Berti z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Chociaż ogólna teoria względności Einsteina liczy już ponad 100 lat, nadal zawiera wiele dotychczas nieopisanych zjawisk. Naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr wraz z przedstawicielami Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) opublikowali artykuł, który opisuje w sposób kompleksowy, co dzieje się ze sztucznymi satelitami krążącymi wokół Ziemi i jak ogólna teoria względności wpływa na orbity i ruch satelitów. Podczas opisu ruchu udało się odkryć kilka dość nieoczekiwanych efektów i przewidywań, które nigdy wcześniej nie zostały opisane w literaturze.
Wyniki prac, prof. Krzysztof Sośnica przedstawił w październiku 2020 r. oraz w marcu 2021 r. na spotkaniu Naukowego Komitetu Doradczego Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA GNSS Science Advisory Committee, GSAC) w ramach specjalnych referatów zaproszonych, które wywołały burzliwą dyskusję, a teraz zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym.
Ogólna teoria względności
Z ogólnej teorii względności wynika szereg efektów, które nie mogły być opisane z wykorzystaniem zasad mechaniki klasycznej. Efekty dotyczą m.in. pojęcia czasu, krzywizny drogi, po jakiej porusza się światło oraz ruchu ciał niebieskich. Naukowcy z IGIG UPWr oraz ESA wzięli pod lupę efekty dotyczące ruchu sztucznych satelitów Ziemi.
Pierwszy efekt dotyczący zmiany pozycji perygeum Merkurego względem Słońca, wyprowadził już Albert Einstein. Był to jeden z dowodów, który pozwolił na powszechną akceptację ogólnej teorii względności w środowisku naukowym. Wcześniej niektórzy podejrzewali, że dziwny ruch Merkurego wynika z obecności dodatkowej planety pomiędzy Merkurym a Słońcem, której nadano nazwę Wulkan. Ta hipotetyczna planeta wyjaśniała zmianę pozycji perygeum Merkurego, ale nigdy nie została odkryta. Dopiero Einstein zdołał wyjaśnić zaburzenia w ruchu planet za pośrednictwem nowej teorii opisującej relacje pomiędzy czasem, przestrzenią, grawitacją i materią w sposób kompleksowy.
Natomiast wiele innych efektów, działających na pozostałe parametry orbit dotychczas nie zostało opisanych w literaturze. Publikacja naukowców z UPWr i ESA wypełnia tę lukę i przedstawia opis perturbacji parametrów orbit oraz zmianę okresu obiegu satelitów krążących wokół Ziemi. Naukowcy wyprowadzili efekty w sposób analityczny oraz przeprowadzili symulacje potwierdzające prawidłowość swoich przewidywań.
Ruch sztucznych satelitów w teorii względności
Teoria względności pozwala wydzielić trzy główne efekty działające na ruch satelitów:
1. Efekt Schwarzschilda będący konsekwencją ugięcia czasoprzestrzeni przez masę Ziemi (traktowaną jako regularną kulę),
2. Efekt Lensa-Thirringa będący konsekwencją obrotu Ziemi wokół własnej osi, co generuje powstawanie tzw. wirów czasoprzestrzennych, które pociągają za sobą satelity,
3. Efekt de Sittera zwany również precesją geodezyjną będący konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni przez Słońce oraz poruszania się satelitów Ziemi poruszającej się wokół Słońca – jest zatem konsekwencją złożenia dwóch ruchów.
W artykule opisano jak wszystkie trzy efekty wpływają na rozmiar i kształt orbit oraz na orientację płaszczyzny orbity względem przestrzeni zewnętrznej.
Jakie efekty relatywistyczne udało się opisać po raz pierwszy?
Pierwszym efektem, który dotychczas nie był opisany w literaturze, jest zmiana wielkości orbit sztucznych satelitów Ziemi za sprawą zakrzywienia czasoprzestrzeni przez Ziemię.
Odkryto, że dłuższa półoś orbity wszystkich ziemskich satelitów zmniejsza się o 17,7 mm. Naukowców zaskoczyło to, że wartość ta jest stała niezależnie od tego, na jakiej wysokości orbituje satelita. Czy to satelita niski orbitujący na wysokości 300 km, czy satelita geostacjonarny znajdujący się na wysokości 36 000 km zmiana wynosi tyle samo. Dodatkowym zaskoczeniem była sama wartość zmiany dłuższej półosi orbity, gdyż jest ona dokładnie dwukrotnością promienia Schwarzschilda, czyli promienia czarnej dziury o masie Ziemi.
Gdyby udało się ścisnąć całą masę Ziemi do kuli o promieniu 8,9 mm, wówczas Ziemia stałaby się czarną dziurą. Nic, nawet światło nie mogłoby się z niej wydostać. Promień czarnej dziury nazywa się promieniem Schwarzschilda lub horyzontem zdarzeń, zza którego żadna informacja nie może się wydostać.
Naukowcy odkryli, że zmiana dużej półosi wszystkich satelitów Ziemi wynosi dokładnie dwa razy więcej niż promień Schwarzschilda. Nawet, gdyby Ziemia zapadła się i stałaby się czarną dziurą, to efekt działający na wszystkie satelity Ziemi wynosiłbym -17,7 mm; nieważne, czy satelity krążyłyby wysoko czy nisko nad czarną dziurą. Autorzy artykułu wyprowadzili wzór na zmianę orbity, która jest opisywana prostym, uniwersalnym dla wszystkich ciał niebieskich, równaniem: -4GM/c^2, gdzie G jest stałą grawitacji, M - masą ciała niebieskiego (np. Ziemi), a c - prędkością światła w próżni.
Drugim efektem opisanym po raz pierwszy w pracy naukowców jest efekt zmiany kształtu orbit sztucznych satelitów. Naukowcy dowiedli, że ogólna teoria względności zmienia kształt orbit w ten sam sposób w przypadku orbit eliptycznych i kołowych. Wszystkie orbity ulegają spłaszczeniu, można powiedzieć "eliptyzacji", w podobny sposób. Jest to dość zaskakujące, gdyż logika wskazywałaby na to, że efekt zmiany kształtu powinien być większy dla orbit eliptycznych, natomiast dla orbit kołowych powinien być zaniedbywalny.
Trzecim niespodziewanym efektem było to, że wartość tzn. precesji geodezyjnej silnie zależy od kąta nachylenia Słońca względem płaszczyzny orbity satelity. Naukowcy wykazali, że efekt precesji geodezyjnej jest największy dla satelitów geostacjonarnych krążących nad równikiem. Wcześniej nikt nie zwrócił na to uwagi, gdyż brano pod uwagę jedynie efekt średni, a nie rzeczywisty wynikający z geometrii satelita-Ziemia-Słońce. Naukowcy NASA zaprojektowali misję Gravity Probe B, której celem było potwierdzenie efektu precesji geodezyjnej. Misja posiadała kąt nachylenia względem płaszczyzny równika 90 stopni. Gravity Probe B kosztowała w sumie 750 milionów USD.
Tymczasem naukowcy z IGIG i ESA dowiedli, że znacznie lepszym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie satelitów krążących nisko nad równikiem oraz orbit nad którymi Słońce nachylone jest pod maksymalnym możliwym kątem, odpowiadającym nachyleniu płaszczyzny ekliptyki względem równika. Wówczas, misja przyniosłaby o wiele lepsze rezultaty w zakresie dokładności wyznaczonego efektu precesji geodezyjnej.
Ostatecznie, naukowcy wykazali, że ogólna teoria względności w słabych polach grawitacyjnych (zaniedbując utratę energii związaną z falami grawitacyjnymi), w długich interwałach zachowuje moment pędu satelitów i energię satelitów krążących wokół Ziemi. Jednakże w krótkich interwałach, zasady zachowania energii i pędu, a także prawa Keplera są złamane, co jest w szczególności widoczne w przypadku orbit eliptycznych.
Ze szczegółami pracy zespołu profesora Sośnicy można zapoznać się w artykule General relativistic effects acting on the orbits of Galileo satellites.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.