Bildekreditt: NRAO
Teoretisert av Einstein i nesten et århundre, har fysikere funnet bevis som støtter teorien om at tyngdekraften beveger seg med lysets hastighet. Variasjoner i hvordan bildet av kvasaren ble bøyd utgjorde denne tyngghastigheten.
Ved å benytte seg av en sjelden kosmisk innretting, har forskere foretatt den første målingen av hastigheten som tyngdekraften forplanter seg, og gir en numerisk verdi til en av de siste umettede grunnleggende konstantene i fysikken.
"Newton trodde at tyngdekraften var øyeblikkelig. Einstein antok at det beveget seg med lysets hastighet, men til nå var det ingen som hadde målt det, sier Sergei Kopeikin, en fysiker ved University of Missouri-Columbia.
"Vi har bestemt at tyngdekrafts forplantningshastighet er lik lysets hastighet med en nøyaktighet på 20 prosent," sa Ed Fomalont, en astronom ved National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Charlottesville, VA. Forskerne presenterte funnene sine for American Astronomical Society's møte i Seattle, WA.
Landemåling er viktig for fysikere som arbeider med enhetlige feltteorier som prøver å kombinere partikkelfysikk med Einsteins generelle relativitetsteori og elektromagnetiske teori.
"Målingen vår setter noen sterke grenser for teoriene som foreslår ekstra dimensjoner, for eksempel supertraingsteori og brane teorier," sa Kopeikin. "Å kjenne til tyngdekraften kan gi en viktig test av eksistensen og kompaktheten av disse ekstra dimensjonene," la han til.
Superstring teori foreslår at de grunnleggende partiklene i naturen ikke er poenglignende, men heller utrolig små løkker eller strenger, hvis egenskaper bestemmes av forskjellige vibrasjonsmåter. Braner (et ord avledet fra membraner) er flerdimensjonale flater, og noen nåværende fysiske teorier foreslår romtidsgraner innebygd til fem dimensjoner.
Forskerne brukte National Science Foundation's Very Long Baseline Array (VLBA), et kontinental bredt radioteleskopsystem, sammen med det 100 meter lange radioteleskopet i Effelsberg, Tyskland, for å gjøre en ekstremt presis observasjon da planeten Jupiter passerte nesten i foran en lys kvasar 8. september 2002.
Observasjonen registrerte en veldig liten "bøyning" av radiobølgene som kom fra bakgrunnskvasaren av gravitasjonseffekten av Jupiter. Bøyningen resulterte i en liten endring i kvasarens tilsynelatende posisjon på himmelen.
"Fordi Jupiter beveger seg rundt solen, avhenger den nøyaktige mengden av bøyningen litt av hastigheten som tyngdekraften forplanter seg fra Jupiter," sa Kopeikin.
Jupiter, den største planeten i solsystemet, passerer bare nær nok til banen for radiobølger fra en passende lys kvasar omtrent en gang i tiåret til at en slik måling kan gjøres, sier forskerne.
Den himmelske innretningen en gang i tiåret var den siste i en hendelseskjede som gjorde det mulig å måle tyngdekraften. De andre inkluderte et sjansemøte for de to forskerne i 1996, et gjennombrudd i teoretisk fysikk og utvikling av spesialiserte teknikker som gjorde det mulig å foreta den ekstremt presise måling.
"Ingen hadde prøvd å måle tyngdekraften før, fordi de fleste fysikere hadde antatt at den eneste måten å gjøre det på var å oppdage gravitasjonsbølger," husket Kopeikin. Imidlertid utvidet Kopeikin i 1999 Einsteins teori til å omfatte gravitasjonseffektene av et bevegelig legeme på lys og radiobølger. Effektene var avhengig av tyngdekraften. Han innså at hvis Jupiter beveget seg nesten foran en stjerne eller radiokilde, kunne han teste teorien sin.
Kopeikin studerte Jupiters forutsagte bane i løpet av de neste 30 årene og oppdaget at den gigantiske planeten ville passere tett nok foran kvasaren J0842 + 1835 i 2002. Imidlertid innså han raskt at effekten på kvasarens tilsynelatende beliggenhet på himmelen kunne tilskrives til tyngdekraften ville være så liten at den eneste observasjonsteknikken som var i stand til å måle den, var Very Long Baseline Interferometry (VLBI), teknikken nedfelt i VLBA. Kopeikin tok deretter kontakt med Fomalont, en ledende ekspert på VLBI og en erfaren VLBA-observatør.
"Jeg innså umiddelbart viktigheten av et eksperiment som kunne gjøre den første målingen av en grunnleggende naturkonstant," sa Fomalont. "Jeg bestemte meg for at vi måtte gi dette vårt beste skudd," la han til.
For å få det nødvendige presisjonsnivået, la de to forskerne Effelsberg-teleskopet til observasjonen. Jo bredere skillet mellom to radioteleskopantenner er, desto større er oppløsningsstyrken, eller evnen til å se fine detaljer, oppnåelig. VLBA inkluderer antenner på Hawaii, det kontinentale USA og St. Croix i Karibia. En antenne på den andre siden av Atlanterhavet la enda mer oppløsende kraft.
"Vi måtte foreta en måling med omtrent tre ganger mer nøyaktighet enn noen noen gang hadde gjort, men vi visste i prinsippet at det kunne gjøres," sa Fomalont. Forskerne testet og foredlet teknikkene sine i ”tørre løp”, og ventet på at Jupiter skulle passere foran kvasaren.
Ventetiden inkluderte betydelig neglebitt. Utstyrssvikt, dårlig vær eller en elektromagnetisk storm på selve Jupiter kunne ha sabotert observasjonen. Men flaks holdt ut og forskernes observasjoner med en radiofrekvens på 8 GigaHertz ga nok gode data til å kunne måle. De oppnådde en presisjon som tilsvarte bredden på et menneskehår sett fra 250 miles away.
”Hovedmålet vårt var å utelukke en uendelig hastighet for tyngdekraften, og vi gjorde det enda bedre. Vi vet nå at tyngdekraften sannsynligvis er lik lysets hastighet, og vi kan trygt utelukke enhver hastighet for tyngdekraften som er over det dobbelte av lyset, ”sa Fomalont.
De fleste forskere, sa Kopeikin, vil være lettet over at tyngdekraften stemmer overens med lysets hastighet. ”Jeg tror dette eksperimentet kaster nytt lys på grunnleggende elementer i generell relativitet og representerer den første av mange flere studier og observasjoner av gravitasjon som for tiden er mulig på grunn av VLBIs enorme høye presisjon. Vi har mye mer å lære om denne spennende kosmiske kraften og dens forhold til de andre kreftene i naturen, ”sa Kopeikin.
Dette er ikke første gang Jupiter har deltatt i å produsere en måling av en grunnleggende fysisk konstant. I 1675 foretok Olaf Roemer, en dansk astronom som arbeidet ved Paris-observatoriet, den første rimelig nøyaktige bestemmelsen av lysets hastighet ved å observere formørkelser av en av Jupiters måner.
Originalkilde: NRAO News Release
