宇宙のクーデターで、天文学者はパルサーとして知られる天体ビーコンを、1 つではなく 2 つの他の星と共に軌道上に発見しました。この種の最初のトリオは、間もなくアインシュタインの重力理論、つまり一般相対性理論を前例のないテストにかけるために使用される可能性があります。ドイツのボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所の電波天文学者であるパウロ・フレイレは、「自然が私たちに与えてくれた素晴らしい実験室です」と語っています。 「ほぼオーダーメイドです。」
パルサーは、超新星爆発で爆発した大質量星の残りのコアである中性子星で構成されています。コア自体の重力がそれを強く圧迫するため、原子核が融合して単一の中性子球になります。回転する中性子星はまた、灯台からの光ビームが海を一掃するように、空を一掃する電波のビームを放ちます。実際、パルサーは非常に規則的に点滅するため、原子時計と同じくらい安定して時を刻む自然な時計を作ることができます。
信じられないほどの規則性により、パルサーが別の天体と一緒に軌道に乗っているかどうかを判断できます。これは、300 を超える高速で回転する「ミリ秒」パルサーの約 80% が存在することが知られているためです。パルサーとその仲間がお互いの軌道を周回していると、パルサーと地球の間の距離がわずかに変化するため、電波のパルスが地球に到達するのに多かれ少なかれ時間がかかります。その結果、脈動の周波数は明確な周期で加速したり減速したりします。
しかし、そのような単純なシナリオでは、バージニア州シャーロッツビルにある国立電波天文台の天文学者であるスコット・ランサムとその同僚がロバート・C・バードと共に2007年に発見した、パルサーPSR J0337+1715の周波数における特異なさえずりを説明できませんでした。ウェスト バージニア州にあるグリーン バンク望遠鏡。ランサムと同僚は、この物体で他の電波望遠鏡を訓練し、1年半の間、ほぼ一定の監視下に置いた.最終的に、カナダのモントリオールにあるマギル大学の大学院生であるアン アーチボルドは、何が起こっているのかを正確に把握しました.
太陽の 1.4 倍の質量を持ち、1 秒間に 366 回自転するパルサーは、質量が太陽の 20% しかない白色矮星とともに、1.6 日間持続する狭い軌道にあります。ランサムとその同僚が今日 Nature でオンラインで報告しているように、太陽の 41% の重さの 2 番目の白色矮星が 327 日ごとに内側のペアを周回しています。 . 「私たちの銀河系には、これらの [トリオ] が 100 を超えないと考えています」とランサムは言います。 「それらは本当に 10 億分の 1 のオブジェクトです。」
独特の新しいシステムは、等価原理として知られる一般相対性理論の背後にある概念をテストする道を開きます。これは質量の 2 つの異なる概念を関連付けます。オブジェクトの慣性質量は、押したり引いたりすることへの抵抗を定量化します。ベビーカーは慣性質量が小さいため、車よりもベビーカーを転がし始める方が簡単です。物体の重力質量は、重力場がそれをどれだけ引っ張るかを決定します。バーベルは、重力質量が大きいため、羽毛よりも重いです。
等価原理の最も単純なバージョンは、慣性質量と重力質量が等しいと言います。ガリレオがピサの斜塔から重いボールと軽いボールを落としたことで示した伝説のように、野球ボールやレンガのような普通の物体が質量に関係なく同じ速度で地球に落下する理由はこれで説明できます。
強い等価原理は、重要な一歩を踏み出します。アインシュタインの有名な方程式、E =mc によると、エネルギーは質量に等しい。したがって、物体またはシステムの質量は、システム自体の重力場のエネルギーによって生成されます。強い等価原理は、そのような「自己重力」によって生成された質量を含めても、重力質量と慣性質量は依然として等しいと述べています。フランスのビュール・シュル・イヴェットにある高等科学研究所の理論物理学者である Thibault Damour は、この原理はアインシュタインの一般相対性理論には当てはまりますが、通常、代替理論には当てはまらないと述べています。したがって、原理にピンを突き刺すことは、一般相対性理論が重力に関する最終的な言葉ではないことを証明するでしょう.
研究者はすでに強い等価原理をテストしようとしています。 1970 年代以降、月と地球が太陽の重力場でどのように軌道を描いているかを比較する研究が行われてきました。最近では、銀河の重力場におけるパルサーと白色矮星のペアの動きを分析した人もいます。しかし、それらの研究は限られている、と Damour は言う。地球の自己重力は、その質量のわずか 10 億分の 1 です。パルサー研究では、銀河の重力は非常に弱いです。そのため、強等価原理は 1000 分の 1 の精度でしかテストされていません。
新しいパルサー システムは、以前の 2 つの方法の長所を組み合わせることで、より厳密なテストへの道を開きます。パルサーの自己重力はその質量の約 10% を占めていますが、内側の白色矮星では 0.001% 未満です。同時に、どちらも外側の白色矮星の重力場で動いており、銀河の場よりもはるかに強力です。システムの進化を追跡することにより、ランサムと同僚は、内側の白色矮星とパルサーのどちらが外側の白色矮星に向かってより速く落下するかを判断し、以前の約 100 倍の正確さで強い同等性をテストできるはずである、とダモアは言います。
では、強い等価原理が欠けていることが判明するでしょうか?違反の可能性について「より良い制限を期待したい」とダムールは言う。 「しかし、私はオープンマインドです。違反を取得するのは素晴らしいことです。」フレイレは、違反は「完全な革命」になるだろうと言っています
研究者は長く待つ必要はないかもしれない、とランサムは言います。彼のチームは 1 年以内に原理をテストできるはずです。
