Einsteins Relativitetsteori blåstemplet af hidtil tungeste neutronstjerne

Den Generelle Relativitetsteori, der blev fremsat af den berømte fysiker Albert Einstein for godt 100 år siden, får nu et kæmpe rygstød, efter at et internationalt forskerhold har opdaget den hidtil tungeste neutronstjerne ved at studere dens følgestjerne i form af en hvid dværg i stjernesystemet PSR J0348+0432.

Studiet viser, at det ekstreme objekt opfører sig nøjagtig, som teorien forudsiger. Resultaterne er så hårdtslående, at de netop er blevet publiceret i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science.

»Det observerede stjernesystem er langt mere ekstremt, end dem hvormed man tidligere har testet Einsteins Generelle Relativitetsteori. Det udvider rammerne for, hvor teorien med sikkerhed kan bruges,« siger danske Thomas Tauris, der har været med til at gennemføre studiet som gæsteprofessor ved Universität Bonn samt det tyske Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Neutronstjernen blev spottet af student

At man har brugt den slags stjernesystemer til at teste teorien er ikke nogen tilfældighed. De har allerede fået stor opmærksomhed gennem mange år, fordi de giver en enestående chance for at afprøve relativitetsteorien under nogle helt specielle forhold.

Stjernerne i sådanne kompakte neutronstjernesystemer kredser nemlig så tæt om hinanden, at de ifølge Einsteins Relativitetsteori udsender meget energi i form af gravitationsbølger, hvilket får stjernerne til langsomt, men sikkert nærme sig hinanden. Ved at sammenholde teoriens forudsigelser med, hvad man faktisk kan observere, har forskerne kunnet teste, om teorien er i overensstemmelse med observationerne eller ej.

Einsteins Relativitetsteori har hidtil klaret frisag med at være i stand til at beskrive alle kendte neutronstjerner, der indgår i sådanne stjernesystemer – pulsarer der alle har masser i størrelsesordenen 1,2 til 1,4 solmasser. Pulsaren i det nye stjernesystem er med sin masse på to gange Solens af en betydeligt mere ekstrem kaliber og giver derfor forskerne en enestående mulighed for at prøve teorien af i et regime, der er domineret af tyngdefelter af hidtil uset styrke.

Ph.d.-studerende bestemte massen

At stjernesystemet rummer så tung en neutronstjerne, fandt en ph.d.-studerende ud af ved at analysere det udsendte lys fra den hvide dværg ved hjælp af Very Large Telescope i Chile. Den studerende vidste, at den hvide dværgstjerne under sit kredsløb skabte må variationer i lyset, som kunne bruges til at bestemme de to stjerners masse.

»Efter en hurtig beregning på stedet, blev det klart for mig, at der var tale om en sværvægter af en pulsar – med en masse svarende til to gange Solens, var der tale om den tungeste neutronstjerne, der nogensinde er observeret,« siger John Antoniadis, der som ph.d.-studerende ved det tyske Max-Planck-Institut für Radioastronomie i Bonn har været primus motor i studiet.

I det øjeblik han og hans kolleger kendte systemets masser, kunne de beregne, hvor meget energi der ifølge teorien skulle blive flyttet væk fra stjernesystemet via gravitationsbølger. Dette tab i energi ville ifølge deres overslag reducere afstanden mellem stjernerne i et sådant tempo, at man burde kunne måle det. Forskerne kan følge med i, hvor meget afstanden reduceres, fordi pulsaren udsender radiosignaler med en nøjagtighed som et atomur. På den måde kunne man efterprøve realitivitetsteorien.

Man ved, at relativitetsteorien ikke kan beskrive alt, hvad der foregår i universet, hvorfor man her må ty til andre teorier. Teorien bryder f.eks. sammen i et sort hul. Men man mangler stadig at finde en klar grænse for, hvor teorien kan bruges, og hvor den begynder at afvige fra naturens sande tyngdekraft.

Ved at rette verdens tre største radioteleskoper mod stjernesystemet, konstaterede forskerne i slutningen af 2012, at pulsaren årligt formindskede sin omløbstid med otte mikrosekunder – svarende til, at afstanden mellem de to kompakte stjerner dagligt bliver 1,4 millimeter kortere – det er præcis, hvad Einsteins Generelle Relativitetsteori forudsiger.

Visse af Scalar Tensor-teorierne og andre konkurrenter til Einsteins Relativitetsteori kommer derimod med forudsigelser, som ikke er i overensstemmelse med observationerne. De kan dermed forkastes.

»Relativitetsteorien har kort sagt bestået endnu engang. Vores håb er, at vi kan finde et endnu mere ekstremt stjernesystem, f.eks. i form af en radiopulsar omkring et sort hul, der kan afsløre relativitetsteoriens begrænsninger,« siger Thomas Tauris.

Fund udfordrer stjernemodeller

Stjernesystemet PSR J0348+0432 gør forskerne klogere på tyngdekraften – meget klogere end den berømte dobbeltpulsar J0737-3039A/B, hvis opdagelse det videnskabelige tidsskrift Science ellers udnævnte til at være et af de 10 vigtigste videnskabelige gennembrud i 2004. Dette stjernesystem opfattede man dengang som værende ekstremt, men blegner i forhold til det, forskerne nu har studeret.

Den nye pulsar giver endvidere forskerne et nyt indblik i, hvordan stof opfører sig under helt ekstreme tætheder. Når så tung en neutronstjerne kan eksistere, må de såkaldte tilstandsligninger, som fysikere bruger til at beskrive forskellige stoftilstande, tillade eksistensen af den slags stof.

Og det kommer for nogle forskere som en overraskelse. Mange af de tilstandsligninger, som forskerne bruger i deres arbejde, påstår nemlig, at det er umuligt for så tunge neutronstjerner at eksistere. Takket være opdagelsen kan vi nu slette de ’bløde’ tilstandsligninger, da de kun tillader neutronstjerner med masser under to solmasser.

Dannelsesteorier presses til det yderste

Den nye opdagelse flytter ikke kun opfattelsen af gyldigheden for Einsteins Generelle Relativitetsteori samt hvilke tilstande stof kan være i, men udfordrer også de modeller, som beskriver, hvordan sådanne dobbeltstjernesystemer opstår. For systemet har nogle sære egenskaber:

Pulsaren har en rotationsperiode på 39 millisekunder og er hele 0,6 solmasser tungere end de hidtil tungeste pulsarer, man har kendt i tætte dobbeltstjernesystemer. Dertil kommer en omløbstid på kun 2,5 timer, hvilket er ultrakort sammenlignet med de fleste andre pulsarer, og hele 80 gange mindre end for den tidligere tungeste kendte pulsar.

Et af de store spørgsmål er om PSR J0348+0432 blev født med en tung masse i en supernova eksplosion, eller om den har opnået dens nuværende masse ved udelukkende at fortære dens følgestjerne.

»Vi funderer nu over, hvordan naturen har skabt dette stjernesystem og kan konstatere, at vores eksisterende modeller for fysikken bag vekselvirkningerne stjernerne imellem bliver presset til det yderste, når de skal forsøge at redegøre for observationerne. Vi præsenterer rimeligt detaljerede modeller for PSR J0348+0432 i artiklen men må haste tilbage til arbejdsbordet og arbejde videre – eller alternativt udtænke nogle nye modeller,« siger Thomas Tauris.