Korzystając z rzadkiej konfiguracji ciał niebieskich, uczeni dokonali pierwszego pomiaru prędkości, z jaką rozchodzi się oddziaływanie grawitacyjne. W ten sposób poznaliśmy wartość jednej z nieokreślonych dotąd stałych fizycznych.

Newton sądził, że siła grawitacji rozchodzi się z nieskończoną prędkością. Einstein założył, że jej prędkość równa jest prędkości światła. Jednak aż dotąd nikt jej nie był w stanie zmierzyć” – powiedział Siergiej Kopiejkin, fizyk z Uniwersytetu Missouri-Columbia.

Ustaliliśmy, że prędkość propagacji grawitacji jest równa prędkości światła z dokładnością do około 20 procent” – powiedział Ed Fomalont, astronom z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) w Charlottesville. Uczeni zaprezentowali swoje wyniki na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Seattle.

Wynik pomiaru istotny jest dla fizyków starających się zunifikować oddziaływania elementarne – połączyć fizykę kwantową z einsteinowską ogólną teorią względności.

Nasze pomiary nakładają silne ograniczenia na teorie proponujące istnienie dodatkowych wymiarów, jakich jak teorie strun i bran” – powiedział Kopiejkin. – “Znajomość prędkości grawitacji dostarcza istotnych testów istnienia dodatkowych wymiarów przestrzeni“.

Teoria superstrun sugeruje, że cząstki elementarne nie są obiektami punktowymi, lecz niesłychanie niewielkimi pętlami bądź strunami, a ich własności wyznaczone są przez częstości, z jakimi obiekty te drgają. Brany (słowo pochodzące od uogólnienia słowa “membrany”) są wielowymiarowymi powierzchniami, a niektóre współczesne teorie fizyczne mówią o ich istnieniu w przestrzeni pięciowymiarowej.

Uczeni skorzystali z należącego do National Science Foundation istrumentu Very Long Baseline Array (VLBA), systemu radioteleskopów rozłożonych w różnych częściach świata, i wykonali precyzyjne pomiary w czasie przejścia Jowisza na niebie w pobliżu jasnego kwazara. Zjawisko miało miejsce 8 września zeszłego roku (Pomiar prędkości grawitacji“>pisaliśmy o tym).

W trakcie obserwacji zarejestrowano bardzo niewielkie “ugięcie” fal radiowych biegnących od kwazara. Ugięcie, spowodowane grawitacyjnym oddziaływaniem Jowisza, zaowocowało niewielką zmianą położenia kwazara na niebie.

Jowisz porusza się wokół Słońca, a dokładna wielkość ugięcia zależy nieco od prędkości z jaką grawitacja przemieszczała się od tej planety do Ziemi” – powiedział Kopiejkin.

Jowisz, największa planeta Układu Słonecznego, zaledwie raz na około 10 lat zbliża się na niebie dość blisko kwazara, aby przy obecnej technice dało się zarejestrować ugięcie fal radiowych.

To rzadkie zjawisko było ostatnim z ciągu zdarzeń, które umożliwiło wykonanie pomiaru. Pozostałe to rozwój odpowiednich technik obserwacyjnych i pomysł, na jaki wpadła dwójka uczonych.

Nikt dotąd nie próbował mierzyć prędkości grawitacji, gdyż większość uczonych uważała że można tego dokonać jedynie przez rejestrację fal grawitacyjnych” – wspomina Kopiejkin. W 1999 roku rozszerzył on teorię Einsteina włączając w nią oddziaływanie grawitacji na poruszające się obiekty i fale radiowe. Efekt zależy od prędkości z jaką rozchodzi się to oddziaływanie. Zdał sobie jednocześnie sprawę, że przejście Jowisza na tle radioźródła da możliwość przetestowania teorii.

Kopiejkin przestudiował przewidywania dotyczące orbity Jowisza w ciągu najbliższych 30 lat i odkrył, że planeta zbliży się we wrześniu 2002 roku do kwazara J0842+1835. Stwierdził, że jedyną możliwością zarejestrowania minimalnego wpływu planety będzie skorzystanie z techniki interferometrii bardzo długiej bazy (VLBI). Skontaktował się więc z Fomalontem, ekspertem w tej dziedzinie. Fomalont natychmiast zdał sobie sprawę z tego, jak ważny jest pomiar, którego będą mogli dokonać.

Aby uzyskać wystarczającą precyzję, dwójka uczonych dodała do sieci radioteleskopów urządzenie znajdujące się w Effelsberg. Im większa jest odległość między współpracującymi obserwatoriami, tym większą można uzyskać dokładność pomiaru. System VLBA składa się z anten na Hawajach, kontynentalnej części USA oraz Karaibach.

Najpierw dokonano serii testów sprawdzających, czy układ działa prawidłowo. Potem pozostało już tylko niecierpliwe oczekiwanie na 8 września. Awaria sprzętu, zła pogoda, burza elektromagnetyczna na Jowiszu, każda z tych rzeczy mogła uniemożliwić dokonanie pomiaru. Przyroda okazała się być łaskawa. Zastosowanie fali o częstości 8 GHz umożliwiło osiągnięcie rozdzielczości odpowiadającej grubości ludzkiego włosa obserwowanej z odległości 400 kilometrów.

Naszym podstawowym celem było wykluczenie możliwości, że grawitacja rozchodzi się z nieskończoną prędkością. Uzyskaliśmy jednak znacznie więcej. Wiemy obecnie, że prawdopodobnie jest ona równa prędkości światła, a prawie na pewno możemy wykluczyć możliwość, że jest od niej dwukrotnie większa” – powiedział Fomalont.

Nie po raz pierwszy Jowisz odegrał ważną rolę w wyznaczaniu stałych fizycznych. W 1675 obserwacje Olafa Roemera, duńskiego astronoma pracującego w Paryżu, pozwoliły przekonać się po raz pierwszy, że prędkość światła nie jest nieskończona. Obserwował on zaćmienia księżyców galileuszowych. Na podstawie swoich pomiarów nie obliczył wartości prędkości światła, stwierdził jedynie że jej wartość jest ograniczona.

Autor

Michał Matraszek

Komentarze

  1. Ykee    

    Proszę o pomoc — Nie bardzo rozumiem w jaki sposób dokonali pomiaru prędkości z jaką rozchodzi się grawitacja… Wg. mnie dokonali pomiaru prędkości fali radiowej, na którą grawitacja Jowisza miała wpływ, jak zresztą na każdą inna falę elektromagnetyczną…

    Bardzo proszę o pomoc…
    Pzdr.

    1. Rafał Szulc    

      Nobel gwarantowany! — – choć, niestety, jeszcze nie przy tak znacznym poziomie niepewności pomiaru… Bowiem dopuszczalny błąd o wielkości 20% – to jednak ciągle dość sporo, i nadal pozostawia miejsce na różne egzotyczne efekty, jakie mogą się objawić, jeśli grawitacja rozchodzi się z prędkością (Vg) choćby nieco inną niż c.
      1.?We wcześniejszym swym komentarzu zastanawiałem się, czy Vg może stanowić 1/137-mą prędkości światła, spekulując, że wyjaśnić by to mogło stałą struktury subtelnej. No cóż, eksperyment Kopiejkina i Fomalonta wykluczył aż tak znaczną różnicę.
      2.?Lecz przecież Vg może wynosić jeszcze c*(1- 1/137), bowiem aby dostrzec rozbieżność prędkości tego rzędu, trzeba by zmierzyć chyżość rozchodzenia się grawitacji, z dokładnością ponad sto razy większą…
      3.?Co do samego badania, oraz zastrzeżeń, związanej z metodyką – przyznam, że i ja miałem kilka wątpliwości, gdy wspominano o planach przeprowadzenia pomiaru. Wiadomości były niezbyt jasne. Jednakże z zamieszczonego na A-N opisu, oraz z faktu, że sam eksperyment się udał 🙂 dostarczając jakichś rozstrzygnięć, można wyciągnąć nieco wniosków, co do przyjętej metody. Zaznaczam, iż są to głównie domysły!
      4.?Tym niemniej jednak nie sądzę, aby badacze przez nieuwagę zmierzyli nie to, co chcieli… Myślę, że miesiące, jakie upłynęły od samego pomiaru, do publikacji – poświęcili na  dokładne analizy, i modelowanie wpływu wszystkich czynników, w tym – drogi promieni świetlnych, oraz zagadnienia związane z czasem, jaki był na to potrzebny, etc. 🙂

      Ad rem:
      5.?Wyobraźmy sobie rozciągającą się wokół Jowisza studnię grawitacyjną. Czy też raczej, ze względu na kształt – grawitacyjny lejek. Już widać?
      6.?W tym etapie popatrzmy na sytuację statycznie. Czyli: bez uwzględniania ruchu Jowisza. Poprzez wyrysowany przez nas lejek, przecinając jego ścianki – przemieszcza się “światło”. Napisałem to w cudzysłowie (choć – można i bez), ponieważ pomiarów dokonywano przy częstotliwości 8 GHz – więc powinienem raczej użyć określenia “fala elektromagnetyczna”. Ale… będę pisał światło bo to krócej!
      7.?Światło ulega ugięciu, zaś wielkość owego zakrzywienia zależy od siły pola grawitacyjnego, dokładniej zaś – całki z odpowiednich sił, działających na fotony na całej drodze, podczas przechodzenia przez nasz lejek. Z grubsza rzecz ujmując możemy się wyrazić, iż kąt ugięcia promienia świetlnego zależy od “ilości grawitacji” skierowanej prostopadle do drogi promienia.
      8.?Owa “ilość grawitacji” rośnie, w miarę gdy drogę światła wykreślimy coraz bliżej Jowisza, rośnie więc i kąt ugięcia. Oczywiście nie mierzymy bezpośrednio owego kąta, lecz inną wielkość: pozorną zmianę położenia odległego pulsara. Pozorną, bowiem sam pulsar swego położenia, oczywiście, nie zmienia, lecz my go widzimy “w innym miejscu” na sferze niebieskiej, właśnie na skutek opisywanego ugięcia, dobiegających do nas, fal elektromagnetycznych.
      9.?A teraz, do obserwowanej sytuacji – dodajmy ruch Jowisza, wszak planeta ta – krąży wokół Słońca, z dość sporą prędkością liniową! Wprawdzie jest to ledwie ułamek promila prędkości światła – ale cóż, lepszego “układu eksperymentalnego” póki co – nie dowieźli! Na naszym “rysunku” Jowisz porusza się z prawa, na lewo…
      10.?Jednak jego prędkość interesuje nas przede wszystkim nie w odniesieniu do światła, lecz raczej w stosunku do prędkości rozchodzenia się grawitacji. A nawet dość znikomy współczynnik ruchu planety (w tych jednostkach) – nie jest wszak zerowym! W efekcie tego “przed” pędzącą planetą (na naszym rysunku: po lewej stronie od niej) “ilość grawitacji” będzie nieco mniejsza, niż w tej same odległości “za Jowiszem”. I to jest właśnie clou owego eksperymentu.
      11.?Owa differentia specifica spowoduje z kolei – różnicę w ugięciu światła, biegnącego od dalekiego pulsara, dzięki czemu możemy obliczyć ową rozbieżność w “ilości grawitacji”. Tyle ogólne zarysy. Może jeszcze słówko o różnych sztuczkach, które pomóc mogły w zwiększeniu dokładności pomiaru.
      12.?Jako się rzekło: różnica wielkości ugięcia promienia światła “przed Jowiszem” oraz, w takiej samej odległości – za nim, nie będzie zbyt duża. W odpowiednio dokładnych pomiarach, tej znikomej wielkości, pomóc zapewne mogły wypracowane metody działania VLBA. Z grubsza rzecz biorąc polegają one na zapisie otrzymywanego sygnału, z bardzo dokładnym zsynchronizowaniem tegoż – z czasem obserwacji, określonym co do jakichś pikosekund. Zapis zawiera informację, nie tylko o sile sygnału, ale nawet o tym, w jakiej fazie jest każda otrzymywana fala radiowa. Dzięki tej niesamowitej koordynacji, po złożeniu sygnału z odległych teleskopów – możemy zobaczyć nawet… prążki interferencyjne! 🙂
      13.?Składania sygnału dokonuje się, oczywiście – komputerowo. I dzięki tym rozwiązaniom, możliwe byłoby również pewne ciekawe złożenie całego procesu obserwacji zakrycia odległego pulsara. Jakie złożenie? – na pół! Czyli: zamiast symetrycznego wykresu, przedstawiającego całe zajście (obserwowaną wielkość ugięcia), gdzie Jowisz wpierw “zbliża się” do pulsara, a następnie majestatycznie oddala, nakładamy symetrycznie część pierwszą (zbliżanie), z lustrzanym odbiciem części drugiej (oddalanie), możemy je również “odjąć” od siebie – i teraz nawet najdrobniejsze różnice – widzimy jak na dłoni! Wraz z ewentualnymi pierścieniami Newtona 🙂
      14.?Dość kluczowe jest tu, oczywiście, idealne wyznaczenie również położenia Jowisza, czy też inaczej: środka symetrii całego zdarzenia (na tym wykresie), punktu “przełomu”, gdy kończy się “zbliżanie”, a rozpoczyna oddalanie… Bowiem tu właśnie – jest “wplątane” owo przesunięcie pola grawitacyjnego!
      15.?Podsumowując: cechy VLBA umożliwiły nie tylko bardzo dokładne śledzenie położenia (pozornego) obserwowanego pulsara, oraz określanie zachodzących tu zmian, lecz również zdumiewająco precyzyjne porównanie symetrii pomiędzy jego “wchodzeniem” i “odsłanianiem” przez grawitację Jowisza. Przy obserwacjach w świetle widzialnym – byłoby to niemożliwe!

      16.?Czy realne jest jeszcze dokładniejsze zmierzenie prędkości grawitacji? Sądzę, że Kopiejkin i Fomalont nie spoczną, dopóki nie otrzymają wyników znacznie lepszych. Potrzebny jest do tych pomiarów obiekt poruszający się o wiele szybciej niż Jowisz, oraz posiadający jak największą masę. Nieźle by było, gdyby też miał zdecydowanie większą gęstość, bowiem decydujące są chwile pomiaru przy jak najwyższym natężeniu pola grawitacyjnego, czyli w najbardziej stromej części “narysowanego” powyżej lejka…
      17.?Myślę, że odpowiedni obiekt, mogący Jowisza zastąpić, jest już znany! Przynajmniej czytelnikom Astro-Newsów… Jakiś czas temu pisano tu o niezbyt od nas odległej (raptem kilkaset l.ś.), szybko poruszającej się gwieździe neutronowej. (Czy ktoś mógłby dodać link do tego news’a?) Co ważne – wokół niej nie było (jak mi się zdaje) żadnego sporego dysku akrecyjnego, który mógłby zakłócić odpowiednie pomiary… Żeby tak jeszcze była ona łaskawa zasłonić jakąś inną gwiazdę, choćby i zwykłą, czy też tylko bardzo się zbliżyć do niej, na sferze niebieskiej…
      18.?Oczywiście potrzebne będzie jeszcze znacznie dokładniejsze niż dotychczas – wyznaczenie jej prędkości, zapewne również odległości od nas, masy, być może też jakieś niezłe oszacowanie rozmiarów – a więc dość sporo danych, których uzyskanie łatwym nie będzie. Lecz chyba da się zrobić. A wtedy już pozostaje czekać na jakieś jej spotkanie, czyli zasłonięcie punktowego radioźródła.
      19.?Gdyby była tak uprzejma zrobić to już wkrótce – to Kopiejkin i Fomalont mogliby powiedzieć, że każdy z nich urodził się pod  szczęśliwą gwiazdą,. A potem te gwiazdy się spotkały…

  2. Mariusz    

    Prędkość grawitacji a czarne dziury. — Mówiąc szczerze od jakiegoś czasu nurtuje mnie taki oto problem związany z powyższym tematem:
    z jaką prędkością rozchodzi się grawitacja w pobliżu czarnej dziury, zdaje się że prędkość ucieczki z tejże jest większa od prędkości światła a prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych z dużym prawdopodobieństwem nie (jak wykazują w powyższym doświadczeniu).
    Czy w takim razie nie mamy tu do czynienia ze swego rodzaju paradoksem. A może ja czegoś nie rozumiem.

    Pozdrawiam

Komentarze są zablokowane.