V prvom experiment Einsteinovej relativity slúžil na meranie hmotnosti hviezdy

Hmotnosť Steina 2051 B, bieleho trpaslíka, ktorá sa nachádza asi 18 svetelných rokov od Zeme, je predmetom sporu už viac ako storočie. Skupina astronómov teraz konečne urobila presné meranie hmotnosti hviezdy a vyriešila 100 rokov starú diskusiu pomocou kozmického javu, ktorý ako prvý predpovedal Albert Einstein.

Vedci vypočítali hmotnosť hviezdy pomocou starostlivo načasovaných pozorovaní, ktoré uskutočnila agentúra Hubblov vesmírny teleskop , ktorá skúmala Stein 2051 B, keď zatienila inú, vzdialenejšiu hviezdu, pri pohľade zo Zeme. Počas tohto tranzitu sa zdá, že hviezda v pozadí mení svoju polohu na oblohe, pohybuje sa tak mierne nabok, aj keď sa jej skutočná poloha na oblohe vôbec nezmenila.



Táto kozmická optická ilúzia je široká známy ako gravitačné šošovky a jeho účinky boli pozorované v celom vesmíre, najmä v blízkosti veľmi hmotných predmetov, ako sú celé galaxie . K efektu dochádza, pretože masívny predmet deformuje priestor okolo neho a funguje ako veľmi veľký objektív, ktorý ohýba dráhu svetla od vzdialenejšieho objektu. V niektorých prípadoch to vytvára ilúziu, že hviezda v pozadí bola vytlačená. [Vysvetlená Einsteinova teória relativity (infografika)]

Tento obrázok ukazuje Einsteinov prstenec (v strede vpravo), ku ktorému dochádza vtedy, keď masívny predmet funguje ako šošovka svetla prichádzajúceho k pozorovateľovi z objektu na pozadí. Tento jav je známy ako gravitačné šošovky a nedávno sa prvýkrát použil na meranie hmotnosti jednotlivej hviezdy.

Tento obrázok ukazuje Einsteinov prstenec (v strede vpravo), ku ktorému dochádza vtedy, keď masívny predmet funguje ako šošovka svetla prichádzajúceho k pozorovateľovi z objektu na pozadí. Tento jav je známy ako gravitačné šošovky a nedávno sa prvýkrát použil na meranie hmotnosti jednotlivej hviezdy.(Obrazový kredit: ESA / Hubble a NASA)

(Voda môže tiež vytvárať tento druh ilúzie výtlaku; skúste vložiť ceruzku do pohára vody a všimnite si, že ponorená polovica ceruzky sa zdá byť odpojená od suchej polovice.)

Einstein predpovedal, že tieto posuny je možné použiť na meranie jednotlivých hviezdnych hmotností. Je to preto, že rozsah, v akom je poloha hviezdy pozadia kompenzovaná, závisí od hmotnosti hviezdy v popredí. Vtedajšie teleskopy však nemali citlivosť, aby sa tento sen stal skutočnosťou.

Vedci, ktorí stoja za novým dielom, tvrdili, že nikto doteraz nepoužil posun hviezd pozadia na výpočet hmotnosti jednotlivej hviezdy. V skutočnosti existuje iba jeden ďalší príklad vedcov, ktorí merajú tento posun medzi jednotlivými hviezdami: počas úplné zatmenie Slnka v roku 1919 , vedci videli, ako slnko vytláča niekoľko hviezd v pozadí. Toto meranie bolo možné len kvôli blízkosti Slnka k Zemi.

Dokument popisujúci nové dielo bol dnes zverejnené online v časopise Science.

Táto ilustrácia ukazuje, ako gravitácia predmetu, ako je biela trpasličia hviezda, deformuje priestor a ohýba dráhu svetelných lúčov od vzdialenejšieho objektu.

Táto ilustrácia ukazuje, ako gravitácia predmetu, ako je biela trpasličia hviezda, deformuje priestor a ohýba dráhu svetelných lúčov od vzdialenejšieho objektu.(Obrazový kredit: ESA / Hubble a NASA)

Kozmický objektív

Einsteinova teória všeobecnej relativity predpokladala, že priestor je skôr flexibilný než pevný a že masívne objekty (ako hviezdy) vytvárajú v priestore krivky, niečo ako bowlingová guľa vytvárajúca krivku na povrchu matraca. Miera, v akej sa predmet deformuje časopriestor, závisí od toho, aký je tento predmet masívny (podobne ťažšia bowlingová guľa vloží na matrac hlbší odtlačok).

Lúč svetla obvykle cestuje prázdnym priestorom po priamke, ale ak lúč prechádza blízko masívneho objektu, krivka v priestore vytvorená hviezdou funguje ako ohyb cesty, v dôsledku čoho sa svetelný lúč odkloní od predtým rovná cesta.

Einstein ukázal, že táto výchylka môže nasmerovať viac svetla na pozorovateľa, podobne ako lupa dokáže zamerať difúzne svetlo zo slnka nadol na jedno miesto. Tento efekt spôsobí, že sa objekt na pozadí javí jasnejší alebo vytvorí okolo objektu v popredí kruh jasného svetla, ktorý sa nazýva Einsteinov prstenec.

Astronómovia pozorovali Einsteinove prstence a „rozjasňujúce udalosti“, keď javy vytvárajú veľmi masívne šošovky v popredí, ako celé galaxie. Tieto boli tiež pozorované pozdĺž roviny galaxie Mliečna dráha, kde jednotlivé hviezdy pravdepodobne spôsobujú efekt šošovky. Tiež bolo zvyknuté detekovať planéty okolo iných hviezd .

V novej štúdii astronómovia uviedli vôbec prvé pozorovanie takzvaných „asymetrických šošoviek“ zahŕňajúcich dve hviezdy mimo slnečnej sústavy Zeme, pri ktorých sa zdá, že sa pozícia hviezdy v pozadí mení.

Stupeň posunu priamo súvisí s hmotnosťou objektu v popredí. Podľa relatívne „ľahkých“ predmetov, ako sú hviezdy, je výtlak extrémne malý, a preto je ťažšie ho detegovať, hovorí Kailash C. Sahu, astronóm z Space Telescope Science Institute v Baltimore a hlavný autor nového dokumentu. V prípade Steinu 2051 B bol výtlak asi 2 miliarcisekundy v rovine oblohy, alebo približne rovnaká ako šírka štvrtiny pri pohľade zo vzdialenosti 2 400 kilometrov, povedal Sahu.

Meranie takej jemnej zmeny si vyžiadalo výkonný nástroj, akým je napríklad kamera s vysokým rozlíšením Hubblovho teleskopu, ktorá bola nainštalovaná v roku 2009. Tento nástroj tiež umožnil vybrať svetlo z vysunutej hviezdy, ktorá bola trochu zatienená svetlom zo Steinu 2051 B - ako svetluška vedľa žiarovky, povedal Sahu.

Vedci vykonali osem meraní od októbra 2013 do októbra 2015, aby mohli pozorovať bieleho trpaslíka, ako sa pohybuje po oblohe, zatmieva hviezdu pozadia a vytvára výtlak. Vedci tiež sledovali skutočnú polohu hviezdy v pozadí potom, čo okolo prešiel biely trpaslík.

Mnoho premenných môže ovplyvniť, či vedci môžu sledovať viac podobných udalostí. Tieto premenné zahŕňajú zarovnanie týchto dvoch predmetov, hmotnosť a blízkosť objektu v popredí, vzdialenosť medzi objektom v popredí a pozadí a citlivosť ďalekohľadu. Sahu však povedal, že si myslí, že jeho tím preukázal účinnosť metódy a že vedci by ju mohli použiť na meranie hmotností dvoch až štyroch blízkych hviezd ročne.

Tento graf ukazuje pozorovania bieleho trpaslíka Steina 2051 B v rôznych bodoch, keď sa pohyboval po oblohe a zatmieval hviezdu v pozadí. Astronómovia pozorovali bieleho trpaslíka

Tento graf ukazuje pozorovania bieleho trpaslíka Steina 2051 B v rôznych bodoch, keď sa pohyboval po oblohe a zatmieval hviezdu v pozadí. Astronómovia sledovali pohyb bieleho trpaslíka a tiež spôsob, akým gravitačne šošovkoval svetlo z hviezdy v pozadí.(Obrazový kredit: K. Sahu (STScI)/NASA/ESA)

Fosílie hviezd

Bieli trpaslíci sú hviezdy, ktoré prestali spaľovať vodík vo svojich jadrách a následne zhodili svoje vonkajšie vrstvy. V každej z týchto hviezd sa zostávajúca hmota zrútila do hustého jadra známeho ako biely trpaslík. Tento kolaps zvyšuje teplotu na povrchu týchto predmetov, takže môžu horieť teplejšie ako „živé“ hviezdy.

'Najmenej 97 percent hviezd na oblohe, vrátane slnka, sa stane alebo už je bielym trpaslíkom,' napísal Terry Oswalt, profesor inžinierstva a fyziky na Embry-Riddle Aeronautical University v Daytona Beach na Floride. sprievodný článok o perspektívach vo vede. 'Pretože sú to fosílie všetkých predchádzajúcich generácií hviezd, bieli trpaslíci sú kľúčom k usporiadaniu histórie a vývoja galaxií, ako je tá naša.'

Hmotnosť Steinu 2051 B je „zdrojom kontroverzií viac ako 100 rokov“, povedal Oswalt, ktorý s novým výskumom nesúvisel.

Súčasný obraz vedcov o bielych trpaslíkoch naznačuje, že hmotnosť a polomer týchto predmetov podľa Sahua odhaľuje dôležité informácie o tom, ako vznikli, z čoho sú vyrobené a z akého druhu hviezd sa vytvorili.

Predchádzajúce merania hmotnosti Steinu 2051 B naznačovali, že je do značnej miery zložený zo železa, ale toto zistenie podľa výskumného dokumentu prinieslo niekoľko problémov založených na prijatých teóriách o tvorbe bieleho trpaslíka a evolúcii hviezd. Napríklad na to, aby sa vytvorilo veľké množstvo železa, by hviezda, z ktorej by sa stal Stein 2051 B, musela byť extrémne hmotná, ale polomer Steinu 2051 B naznačuje, že vznikol z hviezdy, ktorá nie je oveľa väčšia ako slnko.

Ak by tieto merania hmotnosti Steinu 2051 boli správne, poslalo by to astrofyzikov späť na rysovaciu dosku, aby zistili, ako sa taký objekt mohol vytvoriť. Sahu povedal, že astronómovia si uvedomili, že ich merania hmotnosti Steinu 2051 B sú pravdepodobne nesprávne, ale nemali to isté.

Jediným spôsobom, ako zmerať hmotnosť hviezdy, je zvyčajne pozorovať, ako interaguje s iným hmotným telom. Napríklad v binárnom systéme, kde dve hviezdy obiehajú navzájom, bude mať ťažšia hviezda veľký vplyv na pohyb tej ľahšej a pozorovaním interakcie týchto dvoch hviezd v priebehu času môžu vedci vypočítať stále konkrétnejšie hodnoty pre masy hviezd. Stein 2051 B má spoločníka, ale obe telesá obiehajú veľmi ďaleko od seba, takže ich vzájomný vplyv je minimálny.

Nový výsledok ukazuje, že Stein 2051 B je v skutočnosti veľmi normálnym bielym trpaslíkom a dobre zapadá do prijatej teórie formácie, ktorú povedal Sahu. Jeho hmotnosť je asi 0,68 -násobok hmotnosti Slnka, čo naznačuje, že vznikol z hviezdy asi 2,3 -násobku hmotnosti Slnka, povedal Sahu. To je v porovnaní s predchádzajúcim meraním, ktoré umiestnilo hmotnosť bieleho trpaslíka na asi 0,5 -násobok hmotnosti slnka. Nie veľmi veľa bielych trpaslíkov má presne zmeranú hmotnosť aj polomer, dodal.

'Potvrdzuje to vzťah medzi hmotnosťou a polomerom bieleho trpaslíka,' povedal. 'Túto teóriu používajú [astrofyzici] a je dobré vedieť, že stojí na pevných základoch.'

Sledujte Calla Cofield @callacofield . Nasleduj nás @Spacedotcom , Facebook a Google+ . Pôvodný článok na demokratija.eu .