Billedkredit: NRAO
Teoretiseret af Einstein i næsten et århundrede har fysikere fundet bevis for at støtte teorien om, at tyngdekraften bevæger sig med lysets hastighed. Variationer i, hvordan billedet af kvasaren blev bøjet, stod for denne tyngghastighed.
Ved at drage fordel af en sjælden kosmisk linjeføring har forskere foretaget den første måling af den hastighed, hvormed tyngdekraften udbreder sig, hvilket giver en numerisk værdi til en af de sidste umættede grundlæggende konstanter i fysik.
”Newton troede, at tyngdekraftens kraft var øjeblikkelig. Einstein antog, at det bevægede sig med lysets hastighed, men indtil nu havde ingen målt det, ”sagde Sergei Kopeikin, en fysiker ved University of Missouri-Columbia.
”Vi har bestemt, at tyngdekraftets forplantningshastighed er lig lyshastigheden inden for en nøjagtighed på 20 procent,” sagde Ed Fomalont, en astronom ved National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Charlottesville, VA. Forskerne præsenterede deres fund på det amerikanske astronomiske selskabs møde i Seattle, WA.
Landmåling er vigtig for fysikere, der arbejder på fælles feltteorier, der forsøger at kombinere partikelfysik med Einsteins generelle relativitetsteori og elektromagnetisk teori.
”Vores måling sætter nogle stærke grænser for de teorier, der foreslår ekstra dimensioner, såsom superstringsteori og brane teorier,” sagde Kopeikin. ”At kende tyngdekraften kan give en vigtig test af eksistensen og kompaktiteten af disse ekstra dimensioner,” tilføjede han.
Superstring teori foreslår, at de grundlæggende partikler i naturen ikke er pointlike, men snarere utroligt små løkker eller strenge, hvis egenskaber bestemmes af forskellige vibrationsformer. Braner (et ord, der stammer fra membraner) er multidimensionelle overflader, og nogle aktuelle fysiske teorier foreslår rum-tidskraner indlejret i fem dimensioner.
Forskerne brugte National Science Foundation's Very Long Baseline Array (VLBA), et kontinentbredt radioteleskopsystem sammen med det 100 meter lange radioteleskop i Effelsberg, Tyskland, for at gøre en ekstremt præcis observation, når planeten Jupiter passerede næsten i foran en lys kvasar den 8. september 2002.
Observationen registrerede en meget svag "bøjning" af radiobølgerne, der kom fra baggrundskvasaren af tyngdekraften fra Jupiter. Bøjningen resulterede i en lille ændring i kvasarens tilsyneladende position på himlen.
”Da Jupiter bevæger sig rundt om solen, afhænger den nøjagtige bøjningsmængde lidt af den hastighed, hvormed tyngdekraften forplantes fra Jupiter,” sagde Kopeikin.
Jupiter, den største planet i solsystemet, passerer kun tæt nok til stien for radiobølger fra en passende lys kvasar cirka en gang hvert årti til, at en sådan måling kan foretages, sagde forskerne.
Den himmelske tilpasning en gang i et årti var den sidste i en kæde af begivenheder, der gjorde det muligt at måle tyngdekraften. De andre inkluderede et tilfældigt møde mellem de to forskere i 1996, et gennembrud i teoretisk fysik og udvikling af specialiserede teknikker, der gjorde det muligt at foretage den ekstremt præcise måling.
”Ingen havde prøvet at måle tyngdekraften før, fordi de fleste fysikere havde antaget, at den eneste måde at gøre det på var at registrere gravitationsbølger,” huskede Kopeikin. I 1999 udvidede Kopeikin imidlertid Einsteins teori til også at omfatte tyngdekraften af et bevægeligt legeme på lys og radiobølger. Virkningerne var afhængige af tyngdekraften. Han indså, at hvis Jupiter bevægede sig næsten foran en stjerne eller radiokilde, kunne han teste sin teori.
Kopeikin studerede Jupiters forudsagte bane i de næste 30 år og opdagede, at gigantplaneten ville passere tæt nok foran kvasaren J0842 + 1835 i 2002. Han indså imidlertid hurtigt, at virkningen på kvasarens tilsyneladende position på himlen kunne tilskrives til tyngdehastigheden ville være så lille, at den eneste observationsmetode, der var i stand til at måle det, var Very Long Baseline Interferometry (VLBI), teknikken, der er udformet i VLBA. Kopeikin kontaktede derefter Fomalont, en førende ekspert inden for VLBI og en erfaren VLBA-observatør.
”Jeg indså straks vigtigheden af et eksperiment, der kunne foretage den første måling af en grundlæggende konstant af natur,” sagde Fomalont. ”Jeg besluttede, at vi skulle give dette vores bedste skud,” tilføjede han.
For at få det krævede præcisionsniveau tilføjede de to forskere Effelsberg-teleskopet til deres observation. Jo bredere adskillelsen mellem to radioteleskopantenner er, jo større er opløsningsstyrken eller evnen til at se fine detaljer, der kan opnås. VLBA inkluderer antenner på Hawaii, det kontinentale USA og St. Croix i Caribien. En antenne på den anden side af Atlanterhavet tilføjede endnu mere opløsende kraft.
”Vi var nødt til at foretage en måling med cirka tre gange mere nøjagtighed end nogen nogensinde havde gjort, men vi vidste i princippet, at det kunne gøres,” sagde Fomalont. Forskerne testede og forfinede deres teknikker i ”tørløber”, og ventede derefter på, at Jupiter fik sit pas foran kvasaren.
Ventetiden omfattede betydeligt neglebid. Udstyrssvigt, dårligt vejr eller en elektromagnetisk storm på Jupiter selv kunne have saboteret observationen. Dog blev heldet holdt, og forskernes observationer ved en radiofrekvens på 8 GigaHertz frembragte nok gode data til at kunne foretage deres måling. De opnåede en præcision svarende til bredden af et menneskehår set fra 250 miles væk.
”Vores hovedmål var at udelukke en uendelig hastighed for tyngdekraften, og vi gjorde det endnu bedre. Vi ved nu, at tyngdekraften sandsynligvis er lig med lysets hastighed, og vi kan med sikkerhed udelukke enhver hastighed for tyngdekraften, der er over dobbelt så meget som for lyset, ”sagde Fomalont.
De fleste forskere, sagde Kopeikin, vil være lettet over, at tyngdekraften er i overensstemmelse med lysets hastighed. ”Jeg tror, at dette eksperiment kaster nyt lys over grundlæggende elementer i generel relativitet og repræsenterer den første af mange flere undersøgelser og observationer af gravitation, som i øjeblikket er mulig på grund af VLBIs enorme høje præcision. Vi har meget mere at lære om denne spændende kosmiske kraft og dens forhold til de andre kræfter i naturen, ”sagde Kopeikin.
Dette er ikke første gang, at Jupiter har spillet en rolle i at fremstille en måling af en grundlæggende fysisk konstant. I 1675 foretog Olaf Roemer, en dansk astronom, der arbejdede ved Paris-observatoriet, den første rimeligt nøjagtige bestemmelse af lysets hastighed ved at observere formørkelser af en af Jupiters måner.
Original kilde: NRAO nyhedsmeddelelse
