Stel je voor dat je een astronoom bent met interessante ideeën over de geheime wetten van de kosmos. Zoals elke goede wetenschapper plant u een experiment om uw hypothese te testen. En dan opeens het slechte nieuws: er is geen manier om het te testen, behalve misschien een computersimulatie. Kosmische objecten zijn te groot en ongemakkelijk om te groeien in een petrischaal of botsen als subatomaire deeltjes.
Gelukkig zijn er zeldzame plaatsen in de ruimte waar de natuur haar eigen experimenten uitvoert, zoals PSR J0337 + 1715. Dit drievoudige systeem werd voor het eerst waargenomen in 2012 en in 2014 kondigden wetenschappers officieel zijn ontdekking aan. Hij bevindt zich op 4200 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Stier.
Drie dode sterkernen draaien in een dans die Einsteins idee van ruimtetijd zou kunnen bevestigen - of tot herziening zou kunnen leiden. De inzet is hoog. In de jaren zeventig leverde een systeem van twee dode sterren sterk, zij het indirect, bewijs ter ondersteuning van Einsteins algemene relativiteitstheorie, en dat de zwaartekrachtgolven die LIGO uiteindelijk ontdekte, bestonden. Voor dit werk ontvingen wetenschappers de Nobelprijs.
Om PSR J0337 + 1715 als onderdeel van het experiment te begrijpen, stelt Joshua Sokol van New Scientist voor om het als een fysieke locatie weer te geven. Op ongeveer dezelfde afstand van het centrum van het systeem, waar de aarde om de zon draait, ligt een koudwitte dwerg, de overblijfselen van de gestolde kern van een ster als de onze. Iets verder weg is er nog een warmere witte dwerg. Het zou "helder moeten gillen" in de lucht, zegt Scott Ransome van de National Radio Astronomy Observatory in Virginia, die toezicht houdt op de observaties van het systeem.
Elke 1,6 dagen draait deze innerlijke witte dwerg om een metgezel die onzichtbaar is voor het blote oog. Maar in röntgen- of gammastraling zijn de twee witte dwergen relatief zwak in vergelijking met hun metgezel, een bolvormig object van 24 kilometer lang dat anderhalf keer zo zwaar is als de zon.
Het is een pulsar, het overblijfsel van een veel grotere ster. Het roteert elke 2,73 milliseconden, als een kosmische stofdemon. Elke rotatie laat een straal radiogolven de lucht in die bij elke rotatie de aarde bereikt - we gebruiken de uiterst nauwkeurige signalen ervan als een kosmische klok. En aangezien deze lichamen intense, verwarde zwaartekrachtvelden hebben en er klokken aan vastzitten, zou het buitengewoon gemakkelijk zijn om Einstein te testen.
Het team van Ransom volgt het tikken van de pulsar, meet hoe de banen van de drie lichamen veranderen en vergelijkt de resultaten met de voorspellingen van de theorie van Einstein. Ze concentreren zich bijzonder serieus op één idee.
Denk aan het apocriefe verhaal van Galileo op de scheve toren van Pisa, die voorwerpen op de grond gooide om te laten zien dat verschillende massa's evenveel tijd nodig hebben om dezelfde afstand af te leggen. Astronaut David Scott deed hetzelfde experiment op de maan met een veer en een hamer.
Promotie video:
Het principe van de zogenaamde sterke gelijkwaardigheid in de algemene relativiteitstheorie zet dit idee voort. Hij stelt dat zelfs objecten met hun eigen zwaartekrachtvelden op dezelfde manier op de zwaartekracht zouden moeten reageren als andere.
Net als bij veren en een hamer, zouden de binnenste witte dwerg en de veel zwaardere pulsar zich hetzelfde moeten gedragen onder de zwaartekracht van de buitenste witte dwerg. Als dat niet het geval is, wordt de baan van het binnenste paar langgerekt dan verwacht - en wordt het gelijkwaardigheidsbeginsel geschonden en is de algemene relativiteitstheorie verkeerd.
En dan zal er schrik en ontzag zijn. Maar een dergelijke schok kan vroeg of laat worden verwacht, aangezien de algemene relativiteitstheorie berucht is omdat ze geen vrienden wil zijn met andere theorieën over de natuur.
"Elke andere zwaartekrachtstheorie dan de algemene relativiteitstheorie voorspelt in feite dat een sterk gelijkwaardigheidsbeginsel op een bepaald niveau zal falen", zegt Ransome.
Op de Pulsar-conferentie in september in het VK hoopt het team van Ransom nieuwe resultaten aan te kondigen, te beginnen met het werk van Anna Archibald, die het equivalentieprincipe 50 tot 100 keer beter dan ooit zal testen. Dat hebben ze nog niet gedaan, zegt Ransom, omdat er enkele datapatronen zijn die in strijd lijken te zijn met het gelijkwaardigheidsbeginsel en die nader moeten worden onderzocht.
"Dit zal duidelijk krachtig zijn, dus we willen zeker weten dat we de gegevens correct begrijpen", zegt Ransom. Op dit moment zijn computers nog bezig met analyse.
Hoe groot is de kans dat mensen opgewonden raken als het werk uitkomt?
“De meeste mensen geloven dat een sterk gelijkwaardigheidsbeginsel op dit niveau niet kan falen. Dit is een van de redenen waarom we constant met ons hoofd tegen de muur slaan."
Misschien is PSR J0337 + 1715 het perfecte ruimte-experiment: een experiment waarin de algemene relativiteitstheorie zeker zal breken, niet op papier, maar zeker. Of we wachten nog even.
Ilya Khel
