Πιστωτική εικόνα: NRAO
Θεωρητική από τον Αϊνστάιν για σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί έχουν βρει στοιχεία που υποστηρίζουν τη θεωρία ότι η δύναμη της βαρύτητας κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Οι παραλλαγές στον τρόπο με τον οποίο η εικόνα του κβάζαρ ήταν λυγισμένη εξηγούσε αυτήν την ταχύτητα βαρύτητας.
Εκμεταλλευόμενοι μια σπάνια κοσμική ευθυγράμμιση, οι επιστήμονες έχουν κάνει την πρώτη μέτρηση της ταχύτητας με την οποία διαδίδεται η δύναμη της βαρύτητας, δίνοντας μια αριθμητική τιμή σε μία από τις τελευταίες θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής.
«Ο Νεύτωνας πίστευε ότι η δύναμη της βαρύτητας ήταν στιγμιαία. Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι κινήθηκε με την ταχύτητα του φωτός, αλλά μέχρι τώρα κανείς δεν το είχε μετρήσει », δήλωσε ο Σεργκέι Κοπίκιν, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μισούρι-Κολούμπια.
"Έχουμε διαπιστώσει ότι η ταχύτητα διάδοσης της βαρύτητας είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός με ακρίβεια 20 τοις εκατό", δήλωσε ο Ed Fomalont, αστρονόμος στο Εθνικό Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας (NRAO) στο Charlottesville, VA. Οι επιστήμονες παρουσίασαν τα ευρήματά τους στη συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στο Σιάτλ, WA.
Η μέτρηση ορόσημο είναι σημαντική για τους φυσικούς που εργάζονται σε ενοποιημένες θεωρίες πεδίων που προσπαθούν να συνδυάσουν τη φυσική των σωματιδίων με τη γενική θεωρία της σχετικότητας και της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Αϊνστάιν.
«Η μέτρησή μας θέτει ορισμένα ισχυρά όρια στις θεωρίες που προτείνουν επιπλέον διαστάσεις, όπως η θεωρία superstring και οι θεωρίες brane», δήλωσε ο Kopeikin. «Η γνώση της ταχύτητας της βαρύτητας μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό τεστ για την ύπαρξη και τη συμπαγή αυτών των επιπλέον διαστάσεων», πρόσθεσε.
Η θεωρία Superstring προτείνει ότι τα θεμελιώδη σωματίδια της φύσης δεν είναι ομοιότητας, αλλά μάλλον απίστευτα μικροί βρόχοι ή χορδές, των οποίων οι ιδιότητες καθορίζονται από διαφορετικούς τρόπους δόνησης. Τα branes (μια λέξη που προέρχεται από μεμβράνες) είναι πολυδιάστατες επιφάνειες και ορισμένες τρέχουσες φυσικές θεωρίες προτείνουν brane χωροχρόνου ενσωματωμένα σε πέντε διαστάσεις.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το Long Long Baseline Array (VLBA) του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος, ένα σύστημα ραδιοτηλεσκοπίου σε ολόκληρη την ήπειρο, μαζί με το ραδιο τηλεσκόπιο 100 μέτρων στο Effelsberg της Γερμανίας, για να κάνουν μια εξαιρετικά ακριβή παρατήρηση όταν ο πλανήτης Δίας πέρασε σχεδόν μπροστά από ένα φωτεινό κβάζαρ στις 8 Σεπτεμβρίου 2002.
Η παρατήρηση κατέγραψε μια πολύ ελαφριά «κάμψη» των ραδιοκυμάτων που προέρχονταν από το φόντο κβάζαρ από τη βαρυτική επίδραση του Δία. Η κάμψη είχε ως αποτέλεσμα μια μικρή αλλαγή στην εμφανή θέση του κβάζαρ στον ουρανό.
«Επειδή ο Δίας κινείται γύρω από τον Ήλιο, η ακριβής ποσότητα της κάμψης εξαρτάται ελαφρώς από την ταχύτητα με την οποία διαδίδεται η βαρύτητα από τον Δία», δήλωσε ο Κοπέικιν.
Ο Δίας, ο μεγαλύτερος πλανήτης στο Ηλιακό Σύστημα, περνά αρκετά κοντά στη διαδρομή των ραδιοκυμάτων από ένα κατάλληλα φωτεινό κβάζαρ περίπου μία φορά τη δεκαετία για να γίνει μια τέτοια μέτρηση, ανέφεραν οι επιστήμονες.
Η ουράνια ευθυγράμμιση μιας δεκαετίας ήταν η τελευταία σε μια αλυσίδα γεγονότων που κατέστησαν δυνατή τη μέτρηση της ταχύτητας της βαρύτητας. Οι άλλοι περιελάμβαναν μια τυχαία συνάντηση των δύο επιστημόνων το 1996, μια σημαντική ανακάλυψη στη θεωρητική φυσική και την ανάπτυξη εξειδικευμένων τεχνικών που επέτρεψαν να γίνει η εξαιρετικά ακριβής μέτρηση.
«Κανείς δεν είχε προσπαθήσει να μετρήσει την ταχύτητα της βαρύτητας στο παρελθόν, επειδή οι περισσότεροι φυσικοί είχαν υποθέσει ότι ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό ήταν να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα», υπενθύμισε ο Kopeikin. Ωστόσο, το 1999, ο Kopeikin επέκτεινε τη θεωρία του Αϊνστάιν ώστε να συμπεριλάβει τα βαρυτικά αποτελέσματα ενός κινούμενου σώματος στο φως και τα ραδιοκύματα. Τα αποτελέσματα εξαρτώνται από την ταχύτητα της βαρύτητας. Συνειδητοποίησε ότι αν ο Δίας κινείται σχεδόν μπροστά από μια πηγή αστέρα ή ραδιοφώνου, θα μπορούσε να δοκιμάσει τη θεωρία του.
Ο Kopeikin μελέτησε την προβλεπόμενη τροχιά του Δία για τα επόμενα 30 χρόνια και ανακάλυψε ότι ο γιγαντιαίος πλανήτης θα περάσει αρκετά κοντά μπροστά από το quasar J0842 + 1835 το 2002. Ωστόσο, συνειδητοποίησε γρήγορα ότι η επίδραση στην εμφανή θέση του κβάζαρ στον ουρανό αποδίδεται στην ταχύτητα της βαρύτητας θα ήταν τόσο μικρή που η μόνη τεχνική παρατήρησης ικανή να μετρήσει ήταν η πολύ μακρά βασική ιντερφερομετρία (VLBI), η τεχνική που ενσωματώθηκε στο VLBA. Στη συνέχεια, ο Kopeikin επικοινώνησε με τον Fomalont, έναν κορυφαίο εμπειρογνώμονα στο VLBI και έναν έμπειρο παρατηρητή της VLBA.
«Συνειδητοποίησα αμέσως τη σημασία ενός πειράματος που θα μπορούσε να κάνει την πρώτη μέτρηση μιας θεμελιώδους σταθεράς της φύσης», δήλωσε ο Fomalont. «Αποφάσισα ότι έπρεπε να κάνουμε αυτό το καλύτερο σουτ», πρόσθεσε.
Για να πάρουν το απαιτούμενο επίπεδο ακρίβειας, οι δύο επιστήμονες πρόσθεσαν το τηλεσκόπιο Effelsberg στην παρατήρησή τους. Όσο ευρύτερος είναι ο διαχωρισμός μεταξύ δύο κεραιών ραδιοτηλεσκοπίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η εφικτή ισχύ ή η ικανότητα να βλέπει λεπτές λεπτομέρειες. Το VLBA περιλαμβάνει κεραίες στη Χαβάη, τις ηπειρωτικές Ηνωμένες Πολιτείες και το St. Croix στην Καραϊβική. Μια κεραία στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού πρόσθεσε ακόμη περισσότερη δύναμη επίλυσης.
«Έπρεπε να κάνουμε μια μέτρηση με περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι είχε κάνει ποτέ, αλλά γνωρίζαμε, καταρχήν, ότι θα μπορούσε να γίνει», δήλωσε ο Fomalont. Οι επιστήμονες δοκίμασαν και βελτίωσαν τις τεχνικές τους σε «ξηρές διαδρομές», στη συνέχεια περίμεναν τον Δία να περάσει μπροστά από το κβάζαρ.
Η αναμονή περιλάμβανε σημαντικό δάγκωμα νυχιών. Η αποτυχία του εξοπλισμού, ο κακός καιρός ή μια ηλεκτρομαγνητική καταιγίδα στον ίδιο τον Δία θα μπορούσε να σαμποτάρει την παρατήρηση. Ωστόσο, η τύχη πραγματοποιήθηκε και οι παρατηρήσεις των επιστημόνων σε ραδιοσυχνότητα 8 GigaHertz παρήγαγαν αρκετά καλά δεδομένα για να κάνουν τη μέτρησή τους. Πέτυχαν μια ακρίβεια ίση με το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας που φαίνεται από 250 μίλια μακριά.
«Ο κύριος στόχος μας ήταν να αποκλείσουμε μια άπειρη ταχύτητα για τη βαρύτητα, και κάναμε ακόμη καλύτερα. Γνωρίζουμε τώρα ότι η ταχύτητα της βαρύτητας είναι πιθανώς ίση με την ταχύτητα του φωτός και μπορούμε να αποκλείσουμε με βεβαιότητα οποιαδήποτε ταχύτητα βαρύτητας που υπερβαίνει τη διπλάσια από αυτή του φωτός », δήλωσε ο Fomalont.
Οι περισσότεροι επιστήμονες, είπε ο Κοπέικιν, θα ανακουφιστούν ότι η ταχύτητα της βαρύτητας είναι συνεπής με την ταχύτητα του φωτός. «Πιστεύω ότι αυτό το πείραμα ρίχνει νέο φως στα βασικά στοιχεία της γενικής σχετικότητας και αντιπροσωπεύει την πρώτη από πολλές περισσότερες μελέτες και παρατηρήσεις της βαρύτητας που είναι σήμερα δυνατές λόγω της εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας του VLBI. Έχουμε πολλά περισσότερα να μάθουμε για αυτήν την ενδιαφέρουσα κοσμική δύναμη και τη σχέση της με τις άλλες δυνάμεις στη φύση », δήλωσε ο Κοπέικιν.
Δεν είναι η πρώτη φορά που ο Δίας έχει παίξει ρόλο στην παραγωγή μιας μέτρησης μιας θεμελιώδους φυσικής σταθεράς. Το 1675, ο Olaf Roemer, ένας Δανός αστρονόμος που εργάζεται στο Παρατηρητήριο του Παρισιού, έκανε τον πρώτο εύλογα ακριβή προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός παρατηρώντας εκλείψεις ενός από τα φεγγάρια του Δία.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων NRAO
