Tajemnicza osobliwość

6. Astrofizyka relatywistyczna bada silną grawitację

Astrofizyka relatywistyczna jest ekscytującą nową gałęzią astronomii, badającą ciała niebieskie, w których relatywistyczne efekty grawitacyjne są znacznie silniejsze niż w Układzie Słonecznym. Takie zjawiska relatywistyczne, jak precesja obracających się zwartych gwiazd i drgania dysków wokół nich, są identyczne w geometrycznej i kwantowej teorii grawitacji, lecz istnieją także zjawiska różne dla tych dwóch teorii. Najbardziej obiecujące testy silnej grawitacji pochodzą z badania następujących zjawisk astrofizycznych:

• ruch orbitalny pulsarów w układach podwójnych
• promieniowanie grawitacyjne powstające podczas grawitacyjnego zapadania się
• promieniowanie wysokiej energii z pulsarów rentgenowskich
• spektroskopia rentgenowska obiektów supermasywnych w jądrach galaktyk
• widmo promieniowania kwazarów gwałtownie zmieniających jasność

Nasze zrozumienie grawitacji i osobliwości będzie zasadniczo zależeć od tych obserwacji, które przyniosły już tak zadziwiające wyniki.


7. Podwójny pulsar – idealne laboratorium grawitacji

Wielki teleskop w Arecibo, o średnicy czaszy wynoszącej 300 m, umożliwia astronomom bardzo dokładny pomiar czasów słabych pulsów pochodzących od odległych pulsarów, szybko obracających się gwiazd neutronowych o silnym polu magnetycznym. Szczególnie interesujące są pulsary krążące wokół siebie w układach podwójnych, które umożliwiają testowanie teorii grawitacji w warunkach nieistniejących w Układzie Słonecznym.

Słynny pulsar PSR1913+16 (którego odkrycie przyniosło Nagrodę Nobla Russellowi Hulse i Josephowi Taylorowi w 1993 roku) zawiera dwie gwiazdy neutronowe o masach równych masie Słońca, krążące wokół siebie z wielką prędkością 500 km/s. Relatywistyczne efekty grawitacyjne znane z okolic Słońca można teraz mierzyć ze znacznie większą dokładnością w ruchu orbitalnym tego układu podwójnego. Małe przesunięcie peryhelium Merkurego (43 sekundy łuku na stulecie) tutaj wynosiłoby 4 stopnie na rok!

Niezwykle dokładne obserwacje z teleskopu w Arecibo wykazały, że rozmiary orbity z czasem powoli maleją. Przyczyną jest promieniowanie grawitacyjne wytworzone przez ogromne przyspieszenie obiegających się wzajemnie gwiazd neutronowych. Tempo kurczenia się orbity jest dobrze przewidywane przez ogólną teorię względności. Nadal jednak obserwuje się nieco „zbyt” szybkie kurczenie się orbity Wydaje się, że układ podwójny emituje o 1% więcej fal grawitacyjnych niż przewiduje to ogólna teoria względności. Dalsze obserwacje określą prawdziwą ewentualną nadwyżkę. Nawiasem mówiąc, kwantowa teoria pola grawitacyjnego przewiduje nadwyżkę 0,7 procenta w postaci skalarnych fal grawitacyjnych. Część obserwowanej nadwyżki można wyjaśnić obrotem Drogi Mlecznej, lecz niedokładna znajomość odległości pulsara (od około 3 do 8 kiloparseków) uniemożliwia precyzyjne oszacowanie tego źródła błędu. Odległości astronomiczne są nieustannym problemem! Spodziewamy się dokładnego wyznaczenia odległości w ciągu najbliższej dekady, kiedy zostanie wystrzelony satelita astrometryczny GAIA.