Buzz
Lý thuyết về trọng lực của Einstein còn đang có ý nghĩa hay không — chúng tôi đã đặt nó vào thách thức khó nhất cho đến nay
Trong hơn 100 năm, lý thuyết tổng quát về tương đối của Albert Einstein đã là mô tả tốt nhất của chúng ta về cách lực hấp dẫn hoạt động trong Toàn vũ.
Tổng thể, tuy rất chính xác, nhưng lý thuyết này cũng gặp mặt tối: một mâu thuẫn cơ bản với lý thuyết vật lý lượng tử.
Tuy lý thuyết tổng quát hoạt động rất tốt ở quy mô lớn trong Vũ trụ, nhưng cơ học lượng tử chi phối lĩnh vực vi mô của nguyên tử và các hạt cơ bản. Để giải quyết mâu thuẫn này, chúng ta cần thấy lý thuyết tổng quát đưa ra giới hạn của nó: lực hấp dẫn cực kỳ mạnh mẽ ở quy mô nhỏ.
Chúng tôi nghiên cứu một cặp sao được gọi là Double Pulsar, tạo điều kiện cho tình huống như vậy. Sau 16 năm quan sát, chúng tôi đã không tìm thấy bất kỳ rạn nứt nào trong lý thuyết của Einstein.
Pulsars: phòng thí nghiệm trọng lực của tự nhiên
Artist’s impression of the Double Pulsar system and its effect on spacetime. The spacetime curvature (shown in the grid at the bottom) is highest near the pulsars. As they orbit one another, these deformations propagate away at the speed of light as gravity waves, carrying away orbital energy. By counting each time the pulsed beam of radio emission sweeps over the Earth, we can track the slowly shrinking orbit. M. Kramer / MPIfRHợp tác với một đội ngũ quan sát quốc tế do Michael Kramer của Viện Nghiên cứu Vô tuyến Max Planck tại Đức dẫn đầu, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật "đo thời gian pulsar" để nghiên cứu về Double Pulsar từ khi nó được phát hiện.
Kết hợp dữ liệu từ năm đài vô tuyến khác nhau trên thế giới, chúng tôi mô phỏng thời gian đến chính xác của hơn 20 tỷ lần gõ đồng hồ này trong suốt giai đoạn 16 năm.
The Parkes 64-metre diameter radio telescope, located in Central NSW, Australia, was used to observe the pulsed radio emission. Shaun Amy/CSIROĐể hoàn thành mô hình của chúng tôi, chúng tôi cần biết chính xác Double Pulsar cách Trái Đất bao xa. Để tìm hiểu điều này, chúng tôi đã quay lại một mạng lưới toàn cầu gồm mười đài vô tuyến gọi là Mảng Dài Cơ sở Cực Dài (VLBA).
VLBA có độ phân giải cao đến mức có thể nhìn thấy một sợi tóc người ở cách xa 10km! Sử dụng nó, chúng tôi có thể quan sát một sự lung lay nhỏ trong vị trí biểu diễn của Double Pulsar mỗi năm, xuất phát từ chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời.
Và bởi vì kích thước của sự lung lay phụ thuộc vào khoảng cách đến nguồn, chúng tôi có thể chứng minh rằng hệ thống này cách Trái Đất 2,400 năm ánh sáng. Điều này cung cấp mảnh ghép cuối cùng chúng tôi cần để kiểm tra Einstein.
Tìm dấu vết của Einstein trong dữ liệu của chúng tôi
Kết hợp những đo lường tỉ mỉ này cho phép chúng tôi theo dõi chính xác quỹ đạo của từng pulsar. Tiêu chuẩn của chúng tôi là mô hình trọng lực đơn giản hơn của Isaac Newton, được thiết lập trước Einstein vài thế kỷ: mỗi độ lệch đều mang lại một thử nghiệm khác.
Những hiệu ứng "sau-Newton" này – những điều không đáng kể khi xem xét một quả táo rơi từ cây, nhưng có thể nhận thức được trong điều kiện cực kỳ – có thể so sánh với dự đoán của thuyết tương đối chung và các lý thuyết trọng lực khác.
Một trong những hiệu ứng này là sự mất năng lượng do sóng trọng lực được mô tả ở trên. Một hiệu ứng khác là "Hiệu ứng Lense-Thirring" hay "keo theo khung tương đối", trong đó các pulsar xoay kéo theo không gian-thời gian xung quanh khi chúng di chuyển.
Tổng cộng, chúng tôi phát hiện bảy hiệu ứng sau-Newton, bao gồm một số hiệu ứng chưa từng thấy trước đây. Cùng nhau, chúng tạo ra cuộc kiểm tra tốt nhất cho thuyết tương đối chung trong các lĩnh vực trọng lực mạnh.
Sau 16 năm dài, quan sát của chúng tôi chứng minh độ nhất quán đáng kinh ngạc với thuyết tương đối chung của Einstein, khớp với dự đoán của Einstein đến 99.99%. Không có một trong số chục lý thuyết trọng lực khác được đề xuất từ năm 1915 có thể mô tả chuyển động của Double Pulsar tốt hơn!
Với đài vô tuyến lớn hơn và nhạy cảm hơn, cùng với các kỹ thuật phân tích mới, chúng tôi có thể tiếp tục sử dụng Double Pulsar để nghiên cứu trọng lực thêm 85 triệu năm nữa. Cuối cùng, tuy nhiên, hai ngôi sao sẽ xoay chung và hợp nhất.
Artist’s illustration of two merging neutron stars, which is the fate of the Double Pulsar in 85 million years’ time. Such collisions can be detected by gravitational wave laser interferometers, and provide a complementary test of general relativity. NSF/LIGO/Sonoma State University/A. SimonnetKết thúc thảm họa này sẽ tự nó mở ra cơ hội cuối cùng, khi hệ thống phát ra một loạt sóng trọng lực tần số cao. Những loạt sóng từ sự hợp nhất của ngôi sao neutron trong các thiên hà khác đã được các đài quan sát sóng trọng lực LIGO và Virgo phát hiện, và những đo lường đó cung cấp một thử nghiệm bổ sung về thuyết tương đối chung dưới điều kiện cực kỳ khắc nghiệt hơn.
Bài viết của Adam Deller, Nghiên cứu viên Liên kết, Trung tâm Ưu điểm Về Sóng Trọng lực (OzGrav) và Giáo sư Đồng hành về Thiên văn học, Đại học Công nghệ Swinburne và Richard Manchester, Nghiên cứu viên CSIRO, CSIRO Space and Astronomy, CSIRO
Bài viết được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.
