Všeobecná teória relativity obstála v ďalšom teste  
Vo vzdialenosti 1 700 svetelných rokov od Zeme sa navzájom v tesnej blízkosti obiehajú dva pulzary. Vďaka extrémnemu gravitačnému pôsobeniu dvoch veľmi blízkych a veľmi hmotných telies, predstavuje táto binárna sústava ideálne vesmírne laboratórium na skúmanie relativistických efektov.


 

 

Zvětšit obrázek
Znázornenie pulzaru s rotačnou osou, s osou magnetického dipólu a magnetosférou

Keď masívna hviezda, s hmotnosťou asi 4 až 8 krát väčšou, než má naše Slnko, vyčerpá všetky dostupné možnosti, ako sa ubrániť pôsobeniu extrémnej gravitácie, jej prevažne železné jadro gravitačne skolabuje do neutrónovej hviezdy a vonkajšie vrstvy sú rázovou vlnou rozmetané do priestoru v podobe expandujúceho oblaku prachu a plynu. Vybuchla supernova, hviezda je mŕtva, nech žije neutrónová hviezda s nepredstaviteľnými parametrami: pri priemere 10 – 15 km má hmotnosť asi o polovicu väčšiu, než je hmotnosť Slnka a teda hustota je okolo 200 miliónov ton/cm3.

 

 

Zvětšit obrázek
Skupina pre výskum pulzarov na McGillovej univerzite v Montreali. Vzadu na snímke najvyšší je astrofyzik René Breton, v strede prvého radu, je miesto pre šéfku – Victoriu Kaspi.

Sila záverečného gravitačného kolapsu doslova vtlačila elektróny do jadier a vznikla hustá neutrónová hmota. Aby sa zachoval moment hybnosti, rýchlosť rotácie sa zvýšila o mnoho rádov – napríklad z hviezdy, ktorá sa otočila za dni až týždne vzniká neutrónová hviezda rotujúca s periódou, ktorá sa meria v milisekundách až sekundách. Pôvodné magnetické pole „zamrznuté“ vo vodivom jadre hviezdy sa pri kolapse skoncentrovalo, preto sú v neutrónovom kompaktnom zvyšku jeho hodnoty extrémne (rádu 10^12 G = 10^8 T), asi bilión až desať biliónov krát vyššie, než je geomagnetické pole (rádu 10^-5 T). 

 

Predstaviť si to môžeme pomocou siločiar, ktoré sa zachovajú, len sa pri kolapse do extrémne malého objemu aj extrémne zhustia. A hustota siločiar je indikátorom intenzity magnetického poľa. Takto silné pole spôsobuje, že z oboch oblastí magnetických pólov tryská prúd častíc, urýchľovaných na relativistické rýchlosti. Prúdy vytvárajú silné lúče rádiových vĺn. Pretože os magnetického dipólu sa odkláňa od rotačnej osi, neutrónová hviezda je ako rýchlo otáčajúci sa rádiový maják. Ak sa v ceste niektorého z rádiových lúčov nachádza Zem, neutrónovú hviezdu „vidíme“ pomocou rádiových teleskopov ako zdroj pravidelných impulzov – ako pulzar. Je to signál, ktorý môže prinášať množstvo zaujímavých informácií.

 


 

Zvětšit obrázek
100 metrový (presnejšie 110 metrový) rádioteleskop Roberta C. Byrda v Národnom rádio-astronomickom observatóriu v Green Bank v oblasti Pocahontas v Západnej Virgíni, USA. Pomocou tejto najväčšej ovládateľnej rádiovej antény pozorovali René Breton, Victoria Kaspi a ich kolegovia z McGillovej univerzity v Kanade, v spolupráci s kolegami vo Veľkej Británii, USA, Francii a Taliansku spomínaný podvojný pulzar .

Vnašej Galaxii sme doposiaľ objavili vyše 1 700 pulzarov. Viaceré vytvárajú s inými objektami binárne sústavy, ale len v jednom prípade sme si istí, že ide o gravitačne viazaný systém dvoch pulzarov. Nachádza sa asi 1 700 svetelných rokov od Zeme, nesie označenie PSR J0737-3039A/B. Jeho prvý objekt A, s periódou rotácie 23 milisekúnd, bol objavený v roku 2003 a hneď bolo jasné, že ide o binárny systém dvoch telies, ktoré sa obiehajú v 2,4 hodinových intervaloch. Až o pár mesiacov neskôr bol aj druhý objekt B identifikovaný ako pulzar, ktorý sa otočí raz za 2,8 s. Oba pulzary obiehajú okolo spoločného ťažiska v takej blízkosti, že celý systém by sa vtesnal do objemu nášho Slnka. Pretože ide o veľmi hmotné telesá, gravitačne viazané na tak malú vzdialenosť, okamžite bolo vedcom jasné, že ide o výnimočne vhodný pozorovací cieľ.

 

 „Binárne pulzary vytvárajú ideálne podmienky na testovanie predpokladov všeobecnej teórie relativity (ďalej VTR), pretože čím väčšie sú hmoty a čím bližšie sa k sebe nachádzajú, tým významnejšie sú relativistické efekty“ vysvetľuje astrofyzik René Breton, doktorand na McGillovej univerzite v kanadskom Montreali a prvý autor článku Relativistická rotačná precesia v podvojnom pulzare (Relativistic Spin Precession in the Double Pulsar), ktorý 4. júla uverejnil časopis Science. Vedúca výskumnej skupiny a spoluautorka Victoria Kaspi dodáva: „Binárne pulzary sú najlepším miestom na testovanie VTR v silnom gravitačnom poli. Einsteinova teória predpokladá, že keď pulzar v takom poli obieha okolo svojho spoločníka, jeho rotačná os pomaly mení svoj smer“. Túto zmenu voláme precesia.

 

Zdanlivo nič nové pod Slnkom, veď práve precesný pohyb rotačnej osi Zeme je známy už od čias Hipparcha, ktorý žil v 2. storočí p.n.l. Naozaj, pri našej planéte, na ktorú pôsobí najmä Mesiac a Slnko, by sme vystačili s klasickou fyzikou, pretože relativistická zložka jej precesného pohybu je zanedbateľná. Ale deformácia časopriestoru v sústave dvoch kompaktných, extrémne hmotných a rýchlo rotujúcich pulzarov si už vyžaduje použiť relativistický prístup. Pulzary sú príliš malé a sú príliš ďaleko na to, aby sa dala priamo merať ich orientácia. Krátko po objave však vedci zistili, že na takéto merania môžu využiť zákryt – keď jeden z pulzarov prechádza pri obehu popred druhý. Samozrejme, že je to súhra šťastnej vzájomnej konštelácie a orientácie telies, že zo Zeme môžeme ich vzájomné „zatmenie“ pozorovať. Keď k nemu dôjde, magnetosféra bližšieho pulzaru absorbuje rádiové signály pulzaru, ktorý je v zákryte za ním. Analýza signálu, prichádzajúceho od tieneného objektu potom umožňuje stanoviť priestorovú orientáciu tieniaceho objektu.

Takýmto podrobným niekoľkoročným sledovaním vedci presne stanovili parametre precesie rotačnej osi 2,8 sekundového pulzaru a dokázali, že s veľkou presnosťou zodpovedá teórii relativity.

 

Pre hlásateľov nových fyzikálnych právd Victoria Kaspi odkazuje: „Aj keď precesia rotačnej osi bola pozorovaná aj v našej Slnečnej sústave, rozdiely medzi VTR a alternatívnymi teóriami gravitácie sa môžu zreteľne preukázať len v extrémne silných gravitačných poliach, akým je napríklad pole pulzaru. Doposiaľ Einsteinova teória obstála vo všetkých testoch, ktoré sa uskutočnili, vrátane toho nášho. Každému, kto bude chcieť navrhnúť alternatívnu teóriu gravitácie, môžeme povedať, že musí súhlasiť s výsledkami, ktoré sme získali.“



Využime však interaktívne možnosti internetu a namiesto ďalších mnohých slov na vysvetlenie ponúkame nasledujúce zaujímavé animácie, ktoré znázorňujú princípy a výsledky meraní:

 

1) Podvojný pulsar PSR J0737-3039A/B pozostáva z binárneho systému dvoch pulzarov A a B, ktoré obiehajú okolo spoločného ťažiska v 2,4 hodinových intervaloch. Jeden sa otočí okolo rotačnej osi raz za 23 milisekúnd, druhý každých 2,8 sekundy. Oba z oblastí svojich magnetických pólov vysielajú rádiové vlny, ktoré v prípade vhodnej vzájomnej konštelácie môžu pozemské rádiové teleskopy zachytávať. Šťastnou náhodou na túto sústavu pozeráme pozdĺž roviny vzájomného obehu oboch pulzarov, a tak je možné pozorovať zákryt 23 milisekundového tým druhým – 2,8 sekundovým. Silné magnetické pole pulzaru zachytáva nabité častice z okolia a vytvára hustý plazmový oblak, pripomínajúci obrovskú pneumatiku okolo magnetického rovníka. Táto plazma pohlcuje signál pulzaru, ktorý je v zákryte za ňou. Ide teda doslova o zatmenie, len sa deje v rádiovom spektre. Zmena polohy 2,8 sekundového pulzaru v popredí vyvoláva aj zmenu v signáli, ktoré zo vzdialenejšieho 23 ms pulzaru za ním prichádza na Zem. Podľa klasickej Newtonovskej fyziky by rotačné osi mali byť vzhľadom na hviezdne pozadie stabilné. Einsteinova teória relativity však predpokladá, že rotačná os bude vykonávať precesný pohyb. V prípade 2,8 sekundového pulzaru B je to niečo vyše 5 oblúkových stupňov za rok.


Animácia     (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions

 


 

 

 2) Zákryt, či doslova zatmenie pulzaru A pulzarom B v animovanom modeli nastane, ak sivá bodka (priemet obežného pohybu pulzaru A), pohybujúca sa po čiernej čiare, prechádza za pulzarom B. Rádiové signály vysielané pulzarom A sú absorbované plazmou, zachytenou v uzavretých siločiarach dipólovej magnetosféry pulzaru B. Na animácii je znázornená ako farebná bipolárna štruktúra v tvare obruče. Keď sa pulzar A nachádza v zákryte za pulzarom B, je miera viditeľnosti (v rádiovom spektre) pulzaru A premenlivá, závisí od rotačnej fázy pulzaru B. Samozrejme, že to platí len pokiaľ os magnetického dipólu pulzaru B nebude zhodná s jeho rotačnou osou, reprezentovanou sivohnedou šikmou tyčou. Teoretická svetelná krivka, vyplývajúca z modelu je na spodnej časti animácie znázornená čiernou farbou, skutočná krivka, nameraná v apríli roku 2007, červenou. Rýchlosť animácie zodpovedá reálnemu času. Audio záznam predstavuje zvuk, ktorý vzniká zachytením signálu z pulzaru A pomocou rádiového teleskopu, odfiltovaním šumu a zosilnením. Pretože signály z pulzaru A majú príliš rýchlu frekvenciu, nedajú sa jednotlivo rozlíšiť. Tón v animácii je modulovaný a prerušovaný rotáciou pulzaru B, ktorý pulzar A počas zákrytu tieni.


Animácia   (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions


 

 

3) Precesia rotácie.
Animácia pulzaru B, zobrazujúca v pravidelných prerušovaných časových skokoch počas obdobia január 2004 až január 2029 zmenu polohy rotačnej osi pulzaru B. Skrátená dipolárna magnetosféra, zobrazená ako farebná štruktúra, rotuje okolo osi, ktorú predstavuje šikmá tyč. Zdanlivý obežný pohyb pulzaru A znázorňuje horizontálna čierna priamka v pozadí magnetosféry pulzaru B. Relativistická rotačná precesia sa prejavuje postupnou zmenou orientácie rotačnej osi.Zodpovedajúca teoretická svetelná krivka je znázornená v dolnej časti animácie.   


Animácia      (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions

 

Zdroj: McGillova univerzita v Montreali
http://www.mcgill.ca/newsroom/news/item/?item_id=100820
http://www.physics.mcgill.ca/~bretonr/doublepulsar/

Datum: 07.07.2008 05:32
Tisk článku

Živý vesmír - Kde jsme? Kdo jsme? Kam směřujeme? - Elgin Duane
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 257 Kč
Živý vesmír - Kde jsme? Kdo jsme? Kam směřujeme?
Elgin Duane
Související články:

Neposedný pulsar na podivné dráze     Autor: Pavel Koten (30.05.2008)



Diskuze:

důkaz?! -musím se smát

PC,2008-07-10 09:39:00

no já už jsem myslel, že konečně někdo přinesl nějaký důkaz o teorii relativity a místo toho se dozvídám ,že vše vychází \\"s velkou přesností\\"!! No to je tedy termín! Takže zase jen dle dnešního typického přístupu vědců další teorie podporující jinou teorii -vše je ale vydáváno za pravdu jedinou a možnou -odpadlíci se a nehodní trestají.

Odpovědět


Chyba alternativistů

rope,2008-07-11 03:33:51

je v tom, že svoje teorie nechápou jako kalibrační teorie. Je to pochopitelné, každý vynálezce si chce užít svých pět minut slávy a pak dělá přesně to, co svým protivníkům vyčítal: ingoruje kontinuitu vědeckých teorií (princip korespondence) a snaží se svoji teorii uplatnit jako protipól existujících teorií - a to i tehdy, když nová teorie starou jen opravuje daleko za řádovou čárkou ("Je to jinak, pane Darwin"). Mainstream pak reaguje také vyděšeně a podezřívavě a výsledkem je zpomalení procesu zavádění nové teorie, místo jeho asumptotické zavádění do procesu poznání. Lidově řečeno, alternativci často zbytečně tlačí na pilu.

Co se případu pulsarů týče, pokud ten experiment dokládá relativitu, tak ji prostě potvrzuje a s tím nic nenaděláte. Ostatně si myslím, že u této třídy jevů není důvod, proč by relativita právě neměla fungovat velmi dobře - alternativní teorie by se např projevily při srážkách pulsarů, ale ne když kolem sebe obíhají v dostatečné vzdálenosti.

Odpovědět

Krásné otázky

Standa,2008-07-08 16:14:41

Já Vám sice toto nevysvětlím,ale už se těším na odpověď někoho fundovaného.

Odpovědět

otázka

robert,2008-07-08 12:03:26

Nie je tam trochu veľa náhod?
1) Zem sa nachádza v smere rádiového lúča objektu A (ináč by sme ho nemohli pozorovať ako pulzar). Aká je pravdepodobnosť tohoto javu? Je väčšia, ako 1/1 000? (resp. je vyžarovací uhol lúča väčší, ako 0,01sr?)
2) Zem sa nachádza aj v smere rádiového lúča objektu B. Potom ale pravdepodobnosť, že oba (gravitačne viazané) objekty budú vysielať lúč smerom k Zemi je druhou mocninou predchádzajúcej pravdepodobnosti, teda 1/1 000 000.
3) Zem sa nachádza v rovine dráhy oboch uvedených pulzarov (ináč by sme nemohli zo Zeme pozorovať ich zákryt). Táto pravdepodobnosť je ďalšia 1/1000?
To potom ale dostávame, že na 10^9 pulzarov takáto náhoda nastane raz. Máme vôbec toľko pulzarov v pozorovateľnej vzdialenosti? Alebo sa niekde mýlim?

Odpovědět


Nie je tam trochu veľa náhod

Alex,2008-07-08 21:14:03

Náhoda přeje připraveným...;-) Ty pulsary jsou blízko sebe a tak se překrývají mnohem častějí (roli přitom nehraje vrcholový úhel jetu, ale stínu). Krom toho, jak již bylo zmíněno vzájemně precesují, což znamená že za tři hodiny střídají každé dvě vteřiny všechny možné polohy a orientace vůči pozemskému pozorovateli.

Odpovědět


uvaha nad Vasou otazkou

Dagmar,2008-07-09 01:24:08

Ak registrujeme pulzar, potom sa nachadzame v dosahu jedneho (len vo vynimocnych a pripadoch oboch) z oboch radiovych lucov. Ta pravdepodobnost nie je jedno konkretne cislo. Vezmite si lopticku, nakreslite si z oboch stran proti sebe dva kruzky (magneticke poly = zdroje vytryskov) a zacnite loptickou rotovat okolo osi, ktora NEprebieha kruzkami. Kruzky budu pri rotacii opisovat kruznice. Ak sa spolahneme na podmienku, ze luc a sa rozptyluje so vzdialenostou rovnakou mierou, akou narasta povrch, ktory zasiahne, potom pravdepodobnost, ze luc zasiahne Zem je pri jednom pulzare rovnaka, aky je pomer povrchu pulzaru a obsahu kruhovych pasov, ktore DVE oblasti s vytryskami opisuju (zasiahne nas len jeden luc). A ani to nie je jedno cislo, lebo polomer tych kruznic sa meni podla vzajomneho sklonu rotacnej a magnetickej osi. Zistite to na tej lopticke lahko: cim je uhol osi vacsi, tym vacsie kruznice kruzky opisuju, ale o to rychlejsie. Limitom je, ked su osi kolme. Vtedy sa luc pohybuje najrychlejsie a ak vidime jeden, potom aj druhy. Je samozrejme otazkou, ake sklony fyzikalne su mozne, mam pocit, ze obe osi nemozu by zhodne (vyplyva z teorie magnetohydrodynama), o kolmosti som si nie ista.
Ako je uvedene v clanku, pozname dost binarnych sustav, kde jednym z objektov je pulzar. Druhy moze byt tiez pulzar, len nas neosvetluje. Existuje nepochybne vela pulzarov, ktorych luce nezachytavame vobec. Neviem Vam povedat, aka je pravdepodobnost ich vyskytu, domnievam sa vsak, ze v predchadzajucej generacii hviezd bolo dost velkych a teda aj kratsie zijucich hviezd, z ktorych su teraz neutronove hviezdy. A dvojhviezne sustavy nie su predsa nicim vynimocnym, preto predpokladam, za aj sustav s dvoma pulzarmi bude viac, len ich signal nezachytavame.
Na zakryt vhodna rovina je lubovolna rovina, v ktorej vieme ‘nakreslit’ priamku smerujucu k Zemi. Takych rovin je nekonecne vela, tak, ako je nekovecne vela ‘nevhodnych’ rovin. Naviac nejde o PRESNY zakryt, ale pulzar A je tieneny magnetosfetou pulzaru B a ta zabera neporovnatelne vacsi objem ako samotny pulzar. Napokon ta odchylka je zjavna aj na animaciach. Zonglovanie so statistikou sa neda pouzit ako argument, presne tak, ako ked hadzete kockou. Ak Vam 5 krat za sebou nepadne 6tka, pravdepodobnost, ze sa tak stane/nestane pri dalsom hode je uplne rovnaka, ako pri hode prvom. Ked po tisice rokov nedopadne na Zem velky asteroid, nezvysuje to nijako pravdepodobnost, ze dopadne za chvilu. Alebo, ze nedopadnu dva v kratkom case. Statistika nie je vzdy dobrym argumentom.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace