Ďalšie potvrdenie Einsteinovej teórie

Hmotná neutrónová hviezda (pulzar) a jej ľahší sprievodca zabezpečujú unikátne laboratórium na testovanie všeobecnej teórie relativity. Na jej testovanie treba telesá s vysokou hustotou. A pulzar J0348+0432 je skutočne hustý. Jeho hmotnosť je dvakrát vyššie než hmotnosť Slnka, priemer má približne 20 km a okolo svojej osi sa otočí 25 krát za sekundu. V strede tohto kozmického majáka dosahuje hustota hmoty fantastickú hodnotu: viac než miliardu ton v objeme aký má kocka cukru. Gravitácia na povrchu je 300 miliárd krát silnejšia než na Zemi. Pulzar J0348 má malého sprievodcu – bieleho trpaslíka s 10 krát menšou hmotnosťou. Biely trpaslík a neutrónová hviezda obiehajú okolo spoločného ťažiska po takmer kruhovej dráhe s periódou len 2,46 hodiny, pričom dosahujú rýchlosti porovnateľné s rýchlosťou svetla. Tieto parametre vzrušujú vedcov, ktorí chcú testovať Einsteinovu teóriu gravitácie v extrémnych podmienkach. Táto dvojhviezda nie je síce najlepším možným testom slávnej všeobecnej teórie relativity, ale môže testovať prostredie so silným gravitačným poľom, ktoré predtým nebolo pozorovateľom dostupné. J0348 je len druhou objavenou neutrónovou hviezdou s hmotnosťou 2 krát vyššou než má naše Slnko. Pred objavením prvého takého objektu (J1614–2230) v roku 2010 si astronómovia mysleli, že hmotnosť neutrónových hviezd nemôže presiahnuť 1,5 hmotnosti Slnka, vysvetľuje Thibault Damour (Institut des Hautes Etudes Scientifiques, Francúzsko). „Teraz bol objavený už druhý takýto objekt, čo je samé osebe veľkým objavom." Všeobecná relativita prechádza testami bez problémov, ale je možné, že gravitácia nemusí mať tie isté pravidlá v blízkosti veľmi hmotných a hustých objektov. Astronómovia študujú tieto exotické objekty preto, aby to zistili. Vedia, že všeobecná teória relativity (fyzika veľkých telies) a kvantová mechanika (fyzika veľmi malinkých častíc) spolu nekorešpondujú a nesplývajú, takže majú podozrenie, že je tu niekde nejaká chyba. J0348 dáva vedcom unikátnu možnosť testovať tieto chybičky. Iné dvojhviezdne systémy majú podobné krátke periódy alebo aj takéto obrovské nepomery v hmotnostiach zložiek, ale kombinácia oboch nám umožňuje hľadať jedinečné efekty, ktoré by neexistovali, ak platí všeobecná teória relativity. Kľúčom je to, že tieto dve „mŕtve" hviezdy sa nebudú obiehať do nekonečna. Pomaly sa po špirále k sebe približujú, pričom vyžarujú energiu vo forme čerenia priestoročasu – gravitačných vĺn. Všeobecná relativita presne predpovedá, ako by sa mala meniť dráha s časom. Ak tu existujú nejaké ďalšie efekty, mali by sa taktiež prejaviť. S takýmto veľkým rozdielom medzi hmotnosťou pulzaru a bieleho trpaslíka by narušenie Einsteinovej teórie gravitácie malo byť na elementoch dráhy J0348 zreteľné. Ale po dôslednom štúdiu rádioastronomických pozorovaní pulzaru nenašiel John Antoniadis (Max Planck Institute for Radioastronomy, Nemecko) s kolegami žiadne známky zvláštnej, inej fyziky. Perióda obehu sa skracuje o 8,6 mikrosekundy každý rok (s chybou +/- 1,4 mikrosekundy), čo zodpovedá hodnote predpovedanej teóriou relativity. J0348 dopĺňa ďalší testovací systém gravitácie – dvojitý pulzar J0737–3039, hovorí spoluautor štúdie Michael Kramer (Max Planck Institute for Radioastronomy, Nemecko a University of Manchester, Veľká Británia). J0737 má obežnú dobu len o niekoľko málo minút odlišnú od J0348 – 2 hodiny a 25 minút oproti 2 hodinám a 28 minútam, ale s dvoma pulzarmi obiehajúcimi po excentrickejších dráhach vykazuje J0737 relativistický efekt, ktorý sa v prípade páru pulzar - biely trpaslík nepozoruje. Ide o Shapirov efekt. V rámci tohto efektu sa oneskoruje čas príchodu signálu prichádzajúceho z hmotného objektu, pretože aj fotóny sa musia vyšplhať z jamy, ktorú hmotný objekt v priestoročase vytvára a letia tak z nášho pohľadu po zakrivenej a teda dlhšej dráhe, než keby tam hmotné teleso nebolo. Pretože obidva pulzary vo dvojhviezde J0737 obiehajú po výstrednej eliptickej dráhe, nemajú od seba stále rovnakú vzdialenosť. Tieto zmeny formujú tvar a hĺbku „gravitačnej studne", čo znamená, že oneskorenie rádiového signálu sa tiež mení podľa ich vzájomnej polohy. Práve preto J0737 bude vždy lepším testovacím objektom pokiaľ sa týka počtu a presnosti merania relativistických objektov, dodáva Kramer. Ale pretože jeho dva pulzary majú podobné hmotnosti, je tu ťažké testovať efekt, ktorý potrebuje úplne rozdielne hmotnosti telies. A tu je dvojhviezda J0348 vhodnejšia. Tento nový pár zložený z pulzaru a bieleho trpaslíka vylúči niektoré nerelativistické efekty. Ale či zaregistrujeme drobné gravitačné sčerenia priestoročasu v prípade dvoch silne interagujúcich telies, ktoré sú k sebe veľmi blízko, nie je zatiaľ jasné. Experimenty venované hľadaniu gravitačných vĺn ako napr. Advanced LIGO, ktorý plánuje svoje pozorovania v roku 2014, môžu ukázať viac. Aj rastúca sieť ďalekohľadov „Event Horizon Telescope" nahliadne do najvnútornejších častí našej Galaxie, aby zistila, či sa gravitácia správa aj v okolí supermasívnej čiernej diery tak, ako predpovedá všeobecná teória relativity.

RNDr. Zdeněk Komárek