Vesmírná laboratoř pro testování fyzikálních teorií. Kredit: NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello.

Einsteinova obecná relativita předpokládá, že všechny objekty v gravitačním poli padají stejnou rychlostí, bez ohledu na jejich hmotnost nebo složení. Tahle hypotéza zatím úspěšně prošla všemi testy tady na Zemi, a rovněž na Měsíci. Otázkou ale je, jestli funguje i pro ty nejmasivnější a nejhustší objekty ve vesmíru, jak to předpokládá silný princip ekvivalence (Strong Equivalence Principle). Podle něj jsou totiž gravitační zákony nezávislé na rychlosti a na umístění v časoprostoru.

Anne Archibald. Kredit: ASTRON.

Anne Archibald z Amsterdamské univerzity a Nizozemského institutu pro radioastronomii (ASTRON) a její tým prověřili silný princip ekvivalence v zatím nejdrsnějším testu historie. Laboratoř pro takový experiment ovšem nenalezli na Zemi, nýbrž v hlubokém vesmíru. Použili k tomu unikátní soustavu milisekundového pulsaru PSR J0337+1715 a dvou bílých trpaslíků, která se k podobným experimentům vyloženě nabízí. Jejich studii nedávno publikoval časopis Nature.

Obecná relativita nemá moc klidu a pohody. Neustále čelí útokům vyzyvatelů. Některé z alternativních teorií přitom předpovídají, že kompaktní objekty s extrémní hmotností, jako jsou například neutronové hvězdy, se v gravitačním poli pohybují oproti objektům s nižší hmotností poněkud odlišně. Roli by v tom měla hrát gravitační vazebná energie.

Westerbork Synthesis Radio Telescope. Kredit: ASTRON.

Na Zemi si neutronovou hvězdu otestujeme dost těžko. Ale populární radioteleskop Green Bank Telescope (GBT) naštěstí v roce 2011 objevil systém pulsaru PSR J0337+1715, který je od nás vzdálený asi 4 200 světelných let. Systém je tvořený pulsarem, tedy neutronovou hvězdou, kterou za 1,6 dne oběhne bílý trpaslík. A tuhle extrémní dvojici jednou za 327 dní oběhne druhý bílý trpaslík. Tohle by byl hřích nevyužít. Dotyčný systém důkladně pozorovaly radioteleskopy Green Bank, nizozemský Westerbork Synthesis Radio Telescope, a také proslulý Arecibo v Portoriku.

Velkou výhodou tohoto systému tří mrtvých hvězd je, že je v něm pulsar. V tomto případě rotuje 336 krát za sekundu a funguje jako extrémně přesné hodiny. Badatelé byli schopni rozlišit signál pulsaru na jednotlivé pulsy a pak to uplatnit v analýzách.

Pokud by obecná relativita neplatila, tak by neutronová hvězda a vnitřní bílý trpaslík padali v gravitačním poli vnějšího bílého trpaslíka odlišně. Vnitřní bílý trpaslík je lehčí než neutronová hvězda a zahrnuje tudíž méně gravitační vazebné energie.
Detailní analýzy signálu pulsaru PSR J0337+1715 ale ukázaly, že mezi zrychlením neutronové hvězdy a vnitřního bílého trpaslíka nejsou měřitelné rozdíly. Pokud tam přece jenom nějaké jsou, tak velikost tohoto rozdílu bude odpovídat maximálně 3 z 1 milionu. Podle autorů studie to znamená velmi přísná omezení pro alternativy obecné relativity. Výsledek unikátního experimentu v hlubokém vesmíru je desetkrát přesnější, než byl dosavadní nejlepší test gravitace. Einsteinův silný princip ekvivalence se tak stal ještě silnějším. 


Video:  Einstein’s theory still passes the test: weak and strong gravity objects fall the same way


Literatura
ASTRON 4. 7. 2018, Nature 559: 73–76.