Igen har Einstein ret: Hvid dværg rykker rumtiden rundt 
Et nyt studie gemmer på et eventyr om Einstein, en hvid dværg og en ‘dansende radiostjerne’. 
Rumtid Einstein teori bekræftet

Med et radioteleskop og komplicerede beregninger er det lykkedes forskere at påvise, at tid og rum kan hvirvles rundt om tunge objekter. (Illustration: Mark Myers/OzGrav).

Med et radioteleskop og komplicerede beregninger er det lykkedes forskere at påvise, at tid og rum kan hvirvles rundt om tunge objekter. (Illustration: Mark Myers/OzGrav).

Der var engang en gammel, hvid dværg og en særlig ‘radio-stjerne’, som konstant drejede rundt om sig selv og hinanden.

Tilsammen dansede og roterede de to følgesvende så vildt, at der skete noget ganske forbløffende: 

De rykkede tiden og rummet med sig rundt. Endda så meget at, at det kunne måles af mennesker, som befandt sig på en planet billiarder af kilometer borte.

Historien lyder måske som et lidt for magisk rumeventyr, men faktisk kan den læses i den seneste udgave af det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science.

»Jeg ved godt, at det er en lidt ufattelig historie. Men den handler basalt set om et af de helt store spørgsmål  i fysikken,« fortæller professor Thomas Tauris, som er en af forfatterne bag det nye studie i Science.

Einstein og rumtiden

Fortællingen tager i virkeligheden sin begyndelse hos den berømte tyske fysiker Albert Einstein. 

I 1915 fremsatte han sin generelle relativitetsteori, som blandt andet vendte op og ned på vores normale forståelse af tiden. 

Tiden er nemlig ikke bare sin egen. Einsteins teori sagde, at tid og rum hang uløseligt sammen i en størrelse, som kaldes for rumtiden. (Læs mere her)

Han påstod sågar, at rumtiden kunne bøje sig, når den mødte tunge objekter. Tyngdekraften fra det tunge objekt kunne simpelthen trække i tid og rum. 

»Det kan være svært at forstå. Man kan forestille sig, at rumtiden er et net, der er spændt ud på en havetrampolin. Hvis du lægger en tung bowlingkugle på trampolinen, vil nettet bøje nedad. På samme måde vil rumtiden bøje sig omkring et tungt objekt,« forklarer Thomas Tauris, som er professor ved Aarhus Institute of Advanced Studies, samt Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Lense-Thirring-effekten

Så langt så godt. Einstein forudsagde altså, at rumtiden bøjer sig omkring tunge, kompakte objekter.

Men allerede kort tid efter, at Einstein havde fremlagt sin vilde og banebrydende teori, begyndte et par andre kloge herrer at spekulere over, hvad der mon skete, hvis det tunge objekt - bowlingkuglen på trampolinen - drejede rundt. 

De to østrigske fysikere Josef Lense og Hans Thirring forudsagde i 1918, at rumtiden ville følge med og blive rykket rundt sammen med et roterende objekt.

Dermed blev fænomenet døbt Lense-Thirring-effekten - og det er netop denne forbløffende effekt, som er blevet målt i det nye studie.

En gammel dværg og dens ven

Og det bringer os tilbage til historiens to hovedpersoner: Den hvide dværg og den ‘dansende radio-stjerne’.

Hvem er de?

En hvid dværg er en ualmindelig kompakt stjerne. Den er skabt af kernen fra en afdød, ‘almindelig’ stjerne. 

En neutronstjerne er en kompakt stjerne, som hovedsagelig består af neutroner. Den dannes, når en stor stjerne dør og eksploderer i en supernovaeksplosion.

En radiopulsar er en hurtigt roterende neutronstjerne med et stærkt magnetfelt.

Kilde: Thomas Tauris

I fysikkens fortællinger er en hvid dværg en meget kompakt stjerne.

I dette tilfælde er der tale om en gammel, hvid dværg, som snurrer hurtigt rundt om sig selv, og som har en yngre partner. Partneren er en neutronstjerne - det vil sige en tung stjerne, der hovedsageligt består af neutroner. 

Neutronstjernen bevæger sig i en fast bane rundt om den ældre, hvide dværg, men samtidig roterer den også rundt om sig selv. Og for at gøre dansen fuldendt, udsender neutronstjernen også radiostråling.

Fysikerne kalder en sådan roterende neutronstjerne for en radiopulsar.

En radiopulsar (lilla kugle) kredser rundt om en hvid dværg (i midten). Den hvide dværg roterer så hurtigt, at den trækker rumtiden (illustreret som blåt net) med sig rundt. (Illustration: Mark Myers/OzGrav).

Usædvanligt parforhold

Allerede for to årtier siden havde professor Thomas Tauris et godt øje til den hvide dværg og radiopulsaren. 

Han kunne se, at duoen var anderledes end de fleste andre, lignende par.

»Vi kender til 200-300 af den slags systemer, som består af en hvid dværg og en radiopulsar. Men normalt er det sådan, at radiopulsaren dannes først, og herefter bliver den hvide dværg skabt. Men det her tilfælde var højst usædvanligt, fordi den hvide dværg var ældre end radiopulsaren,« fortæller Thomas Tauris.

Thomas Tauris beskrev det særlige forhold i en 20 år gammel videnskabelig artikel med titlen »Unge neutronstjerner med gamle hvide dværge som følgesvende.« 

Bekræfter Einsteins teori

I det nye studie har Thomas Tauris og hans kolleger endnu engang nærstuderet det umage par.

Men denne gang har de ikke blot beskrevet den usædvanlige aldersforskel: De har derimod lavet komplicerede målinger og beregninger af, hvordan de to følgesvende påvirker selveste rumtiden.

Og det viser sig, at parret gør præcis, som de østrigske fysikere Lense og Thirring forudsagde for over 100 år siden; pulsaren og den hvide dværg rykker simpelthen rumtiden rundt.

»Det er endnu engang med til at bekræfte Einsteins helt ufattelige teorier, at vi rent faktisk kan måle Lense-Thirring-effekten. Vi kan simpelthen påvise, at rumtiden bliver hvirvlet rundt,« siger Thomas Tauris.

De medvirkende i historien

En radiopulsar ved navn PSR J1141-6545 

En hvid dværg ved navn J1141-6545

De befinder sig begge cirka 10.000 lysår borte fra Jorden i stjernetegnet fluen (musca).

Kilde: Thomas Tauris

Flot studie

Historien om den hvide dværg, radiopulsaren og rumtiden vækker da også begejstring, da Videnskab.dk beder en forsker fra Københavns Universitet om at læse beretningen i den seneste udgave af Science.

»Det er virkelig spændende. Det er en effekt, som teoretisk set bliver forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori, men den er meget, meget svær at måle. Men her har de gjort det på en rigtig flot måde,« siger Katie Auchettl, som er lektor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og ikke har været en del af det nye studie.

Hun påpeger, at Lense-Thirring-effekten kun er blevet påvist ganske få gange før. 

Jorden twister rumtiden

Faktisk er de mest overbevisende målinger af Lense-Thirring effekten hidtil sket på vores egen planet Jorden. Jorden roterer som bekendt omkring sig selv, og dermed kan vores planet også trække rumtiden en lillebitte smule rundt, forklarer Thomas Tauris.

»Det går meget langsomt, når Jorden rykker rundt på rumtiden. Effekten er 100 millioner gange større, når det sker i systemet med den hvide dværg og pulsaren,« siger Thomas Tauris.

Dengang det gjaldt Jorden kunne forskerne påvise Lense-Thirring effekten ved hjælp af en sværm af satellitter, som kunne lave præcise målinger. Men den slags satellitter kan man ikke sende ud til et stjernesystem, som befinder sig hundrede billiarder af kilometer borte.

Så hvordan måler man egentlig effekten omkring en fjern, hvid dværg og en pulsar?

Det er nu, du for alvor skal holde fast i hat og nørd-briller for at følge med i eventyret. 

Sådan gør forskerne

Som allerede nævnt udsender den ene af historiens hovedpersoner, radiopulsaren, en konstant strøm af radiosignaler. Disse signaler rejser mange billiarder kilometer gennem rummet og bliver opfanget af et radioteleskop, som står i Australien. 

»Vi kan måle radiosignalerne fra radiopulsaren med meget stor nøjagtighed. Lige så stor nøjagtighed som med et atomur,« siger Thomas Tauris.

Radiosignalerne har forskerne kombineret med en række andre oplysninger og beregninger, herunder informationer om, hvordan radiopulsaren kredser i en aflang bane omkring den hvide dværg.

Det tager radiopulsaren cirka fem timer at nå rundt om den hvide dværg, men den aflange bane rundt om dværgen er ikke fuldstændig cirkulær og stabil, forklarer Thomas Tauris.

»Pulsaren bevæger sig i en bane rundt om den hvide dværg, men baneplanet er ikke helt stabilt. Det skyldes, at den hvide dværgs rotationsakse står og tumler lidt frem og tilbage - ligesom når en snurretop står på bordet og vipper lidt op og ned,« forklarer Thomas Tauris og tilføjer:

»Ved at se på den effekt, som den hvide dværg har på pulsarens bane, kan vi sige noget om, hvordan rumtiden bliver hvirvlet rundt om den hvide dværg.«

Videoen viser en kunstners fortolkning af, hvordan det ser ud, når radiopulsaren kredser om den hvide dværg, som roterer så hurtigt, at den rykker rundt på rumtiden (illustreret som blåt net til slut) (Video: Mark Myers/OzGrav ARC Centre of Excellence)

Tyngdekraften som mål

I det nye studie har Thomas Tauris stået for at udføre de teoretiske beregninger af den hvide dværgs rotation og hældningen på dens rotationsakse.

Han har også lavet 70 millioner computersimuleringer til studiet, som blandt andet viser, hvordan den hvide dværg og radiopulsaren har udviklet sig gennem tiden.

Beregningerne har været nødvendige for at kunne måle, hvordan rumtiden hvirvles rundt om de to følgesvende, som befinder sig cirka 10.000 lysår borte fra forskerne på Jorden.

Men hvorfor overhovedet bekymre sig om at beregne og måle rumtidens krumspring omkring to fjerne objekter i himmelrummet?

Thomas Tauris forklarer, at svaret hænger uløseligt sammen fysikernes hungren efter at kunne forstå tyngdekraften.

Lense-Thirring-effekten

Lense-Thirring effekten kaldes også for frame-dragging

Effekten beskriver fænomenet, at når tunge objekter roterer, kan de trække rumtiden med sig rundt.

Ifølge det nye studie roterer den hvide dværg rundt om sig selv på ca. 100 sekunder.

Rotationen forårsager frame dragging med en styrke, som svarer til, at et koordinatsystem placeret på den hvide dværgs nordpol vil rotere rundt med 16 grader i løbet af 24 timer. 

Til sammenligning vil frame dragging på grund af Jordens rotation få et tilsvarende koordinatsystem til at rotere med 16 grader i løbet af 270.000 år  ̶ altså med en effekt som er 100 millioner gange mindre. 

Den store forskel skyldes, at den hvide dværg er meget tungere og roterer betydeligt hurtigere end Jorden.

Kilde: AU

Einstein har desværre ret igen

Tyngdekraften er måske den af de fire kendte naturkræfter, som er sværest at beskrive rent videnskabeligt.

Vores nutidige forståelse af tyngdekraften bygger på Einsteins generelle relativitetsteori. Men desværre har Einsteins teori den mangel, at den ikke kan forenes med kvantefysikken - en vigtig og fundamental gren af fysikken, som beskriver, hvordan verden opfører sig, når man zoomer ind på de allermindste bestanddele. 

At forene kvantefysikken med Einsteins teorier om tyngdekraften er i øjeblikket et af de største mål for fysikere.

»Det er det helt store problem i moderne fysik, at man ikke kan forene Einsteins teorier om tyngdekraften med kvantefysikken. Mange har forsøgt at gøre det, men det er ikke lykkedes,« siger Thomas Tauris og tilføjer: 

»Ved at studere ekstreme fænomener håber man på, at man på et tidspunkt vil se afvigelser fra Einsteins teorier. Men indtil videre stemmer alle forsøg, man har lavet, 100 procent overens med Einsteins generelle relativitetsteori. Det er super frustrerende, for vi ved, at teorien på et tidspunkt skal bryde sammen, så kvantefysikkens regler tager over.«

Teorien om alting

Mange fysikeres hedeste ønske er at finde frem til en teori, som ikke bare kan beskrive tyngdekraften med kvantefysik, men som også kan bringe en teori på banen, der kan forene alle naturkræfter.

En sådan samlet beskrivelse af naturkræfterne er også kendt som teorien om alting - læs mere i denne artikel.

»En teori, som forener alle fire naturkræfter, er uden tvivl det største mål i fysikkens verden. Vores nye studie er en mikroskopisk brik i det store puslespil, som forhåbentlig engang viser, hvordan alting hænger sammen,« siger Thomas Tauris.

Og således er eventyret om den hvide dværg, radiopulsaren, Einstein og tyngdekraften langt fra slut endnu. Forude venter stadig den helt store opdagelse af, hvordan hele historien hænger sammen.

Sådan blev den hvide dværg og radiopulsaren skabt

Parkes Radioteleskop i Australien har opfanget radiostråling fra pulsaren, som indgår i det nye studie. (Foto: Diceman Stephen West/ CC BY-SA 3.0)

I det nye studie har Thomas Tauris lavet 70 millioner computersimuleringer af, hvordan den hvide dværg og radiopulsaren har udviklet sig og påvirket hinanden gennem tiden.

De to følgesvendes udvikling har nemlig været usædvanlig, idet den hvide dværg er ældre end sin partner, radiopulsaren.

»I den slags systemer er radiopulsaren næsten altid ældre end den hvide dværg. Vi kender kun to-tre andre tilfælde, hvor den hvide dværg er ældst,« siger Thomas Tauris.

Så spørgsmålet er, hvordan det usædvanlige stjerne-system er opstået?

Ifølge Thomas Tauris simuleringer er det formentlig foregået således:

I begyndelsen var der blot to almindelige stjerner, som kredsede om hinanden. Hver for sig var de to stjerner ikke tunge nok til at eksplodere i en supernova.

Den tungeste stjerne endte sine dage som en hvid dværg; en kompakt og afdød stjerne, der vejede nogenlunde det samme som Solen.

Men inden stjernen blev til en hvid dværg, havde den overført en del af sit stof til sin følgestjerne, som nu blev tung nok til efterfølgende at kunne eksplodere i en supernova. Resultatet af supernova-eksplosionen var, at følgesvenden blev til en neutronstjerne (radiopulsar).

»Inden stjernen eksploderede i en supernova, sagde den tak for hjælpen og tilbageførte materiale til den hvide dværg. Dermed fik den hvide dværg populært sagt et skub og begyndte at rotere ekstra hurtigt om sig selv,« forklarer Thomas Tauris.

I det nye studie har Thomas Tauris blandt andet beregnet, at den hvide dværg roterer så hurtigt, at det kun tager den cirka 100 sekunder at snurre rundt om sig selv.

»Studiet er ikke kun spændende fordi det bekræfter Einsteins teorier. Det giver os også en indsigt i, hvordan stjerner fødes, dør, udvikler sig og påvirker hinanden igennem deres udvikling,« siger Katie Auchettl, som ikke har været en del af det nye studie.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.



Det sker