Kreditna slika: NRAO
Fiziki so že skoraj stoletje teoretizirali o Einsteinu, našli so dokaze v podporo teoriji, da se sila gravitacije giblje s svetlobno hitrostjo. Razlike v upogibanju slike kvazarja so bile posledica te gravitacijske hitrosti.
S pomočjo redke kozmične poravnave so znanstveniki izvedli prvo meritev hitrosti, s katero se razprostira sila gravitacije, in sicer dali številčno vrednost eni izmed zadnjih neizmerjenih osnovnih fizik.
"Newton je menil, da je sila gravitacije trenutna. Einstein je domneval, da se premika s svetlobno hitrostjo, vendar ga doslej še nihče ni meril, "je dejal Sergej Kopeikin, fizik na univerzi Missouri-Columbia.
"Ugotovili smo, da je hitrost širjenja gravitacije enaka hitrosti svetlobe z natančnostjo 20 odstotkov," je dejal Ed Fomalont, astronom iz Nacionalnega radijskega astronomskega observatorija (NRAO) v Charlottesvilleu, VA. Znanstveniki so svoje ugotovitve predstavili na sestanku Ameriškega astronomskega društva v Seattlu, WA.
Mejnik je pomemben za fizike, ki delajo na poenotenih teorijah polja, ki poskušajo kombinirati fiziko delcev z Einsteinovo splošno teorijo relativnosti in elektromagnetno teorijo.
"Naša meritev postavlja nekatere močne meje pri teorijah, ki predlagajo dodatne dimenzije, kot so teorija nadnapetosti in teorije brane," je dejal Kopeikin. "Poznavanje hitrosti gravitacije lahko zagotovi pomemben preizkus obstoja in kompaktnosti teh dodatnih dimenzij," je dodal.
Teorija superstringov predlaga, da temeljni delci narave niso točkovni, temveč neverjetno majhne zanke ali strune, katerih lastnosti so določene z različnimi načini vibracij. Branes (beseda, ki izhaja iz membran), je večdimenzionalna površina, nekatere trenutne fizikalne teorije pa predlagajo, da so prostorninsko-časovni brani vgrajeni v pet dimenzij.
Znanstveniki so uporabili zelo dolgo bazno linijo Nacionalne fundacije za znanost (VLBA), celinski sistem radioteleskopa, skupaj s 100-metrskim radijskim teleskopom v Effelsbergu v Nemčiji, da bi naredili izjemno natančno opazovanje, ko je planet Jupiter prešel skoraj v pred svetlim kvazarjem 8. septembra 2002.
Opazovanje je zabeležilo zelo rahlo „upogibanje“ radijskih valov, ki prihajajo iz kvazarja ozadja zaradi gravitacijskega učinka Jupitra. Upogibanje je povzročilo majhno spremembo navideznega položaja kvazarja na nebu.
"Ker se Jupiter giblje okoli Sonca, je natančna količina upogiba nekoliko odvisna od hitrosti, s katero se gravitacija širi iz Jupitra," je dejal Kopeikin.
Znanstveniki so povedali, da Jupiter, največji planet Osončja, samo dovolj natančno prehaja pot radijskih valov iz primerno svetlega kvazarja približno enkrat na desetletje.
Nebesna poravnava, ki je bila enkrat v desetletju, je bila zadnja v verigi dogodkov, ki je omogočila merjenje hitrosti gravitacije. Drugi so vključevali priložnostno srečanje obeh znanstvenikov leta 1996, preboj teoretične fizike in razvoj specializiranih tehnik, ki so omogočile izjemno natančno merjenje.
"Nihče še ni poskušal izmeriti hitrosti gravitacije, ker je večina fizikov domnevala, da je edini način zaznavanje gravitacijskih valov," je spomnil Kopeikin. Vendar je Kopeikin leta 1999 razširil teorijo Einsteina in vključil gravitacijske učinke gibljivega telesa na svetlobne in radijske valove. Učinki so bili odvisni od hitrosti gravitacije. Spoznal je, da če se Jupiter pomakne skoraj pred zvezdo ali radijskim virom, lahko preizkusi svojo teorijo.
Kopeikin je preučil napovedano orbito Jupitra za naslednjih 30 let in ugotovil, da bo velikanski planet leta 2002 prešel dovolj tesno pred kvazarjem J0842 + 1835, vendar je hitro ugotovil, da je vpliv na navidezni položaj kvazarja na nebu mogoče pripisati hitrost gravitacije bi bila tako majhna, da bi bila edina opazovalna tehnika, ki jo je mogoče meriti, zelo dolga osnovna interferometrija (VLBI), tehnika, utelešena v VLBA. Kopeikin je nato stopil v stik s Fomalontom, vodilnim strokovnjakom za VLBI in izkušenim opazovalcem VLBA.
"Takoj sem spoznal pomen eksperimenta, s katerim bi lahko izvedli prvo meritev temeljne konstante narave," je dejal Fomalont. "Odločil sem se, da se moramo tega najbolje potruditi," je dodal.
Da bi dosegli zahtevano raven natančnosti, sta dva znanstvenika k opazovanju dodala teleskop Effelsberg. Čim širša je ločitev med dvema antenama za radioteleskop, večja je ločljivost, ali sposobnost videnja drobnih podrobnosti, dosegljiva. VLBA vključuje antene na Havajih, celinskih Združenih državah Amerike in St. Croixu na Karibih. Antena na drugi strani Atlantika je dodala še večjo moč.
"Meritve smo morali opraviti s približno trikrat večjo natančnostjo kot kadar koli prej, a smo načeloma vedeli, da je to mogoče storiti," je dejal Fomalont. Znanstveniki so preizkusili in izpopolnili svoje tehnike v "suhih poteh", nato pa čakali, da Jupiter pred kvazarjem opravi svoj prehod.
Čakanje je vključevalo precejšnje grizenje nohtov. Odpoved opreme, slabo vreme ali elektromagnetna nevihta na samem Jupitru bi lahko opazovala sabotiranje. Vendar pa je sreča zdržala in znanstvenikova opazovanja na radijski frekvenci 8 gigahercev ustvarila dovolj dobrih podatkov, da so lahko merili. Dosegli so natančnost, ki je enaka širini človeških dlak, vidnih s 250 milj.
»Naš glavni cilj je bil izključiti neskončno hitrost gravitacije, in naredili smo še boljše. Zdaj vemo, da je hitrost gravitacije verjetno enaka hitrosti svetlobe, in zanesljivo lahko izključimo katero koli hitrost gravitacije, ki je več kot dvakrat večja od svetlobne, "je dejal Fomalont.
Večina znanstvenikov, je dejal Kopeikin, bo olajšala, da je hitrost gravitacije skladna s hitrostjo svetlobe. "Verjamem, da ta poskus osvetljuje osnove splošne relativnosti in predstavlja prvo od mnogih več študij in opazovanj gravitacije, ki so trenutno možni zaradi izjemno visoke natančnosti VLBI. O tej intrigantni kozmični sili in njenem odnosu do drugih sil v naravi moramo še veliko izvedeti, "je dejal Kopeikin.
To ni prvič, da je Jupiter sodeloval pri izdelavi meritev osnovne fizikalne konstante. Leta 1675 je Olaf Roemer, danski astronom, ki deluje na pariškem observatoriju, opravil prvo razumno natančno določitev hitrosti svetlobe z opazovanjem mrkov ene Jupitrove lune.
Izvirni vir: NRAO News Release
