Afbeelding tegoed: NRAO
Natuurkundigen zijn al bijna een eeuw door Einstein getheoretiseerd en hebben bewijzen gevonden die de theorie ondersteunen dat de zwaartekracht met de snelheid van het licht beweegt. Variaties in hoe het beeld van de quasar werd gebogen, waren verantwoordelijk voor deze zwaartekracht.
Door gebruik te maken van een zeldzame kosmische uitlijning, hebben wetenschappers de eerste meting gedaan van de snelheid waarmee de zwaartekracht zich voortplant, wat een numerieke waarde geeft aan een van de laatste niet-gemeten fundamentele natuurkundige constanten.
"Newton dacht dat de kracht van de zwaartekracht onmiddellijk was. Einstein ging ervan uit dat het met de snelheid van het licht bewoog, maar tot nu toe had niemand het gemeten ', zegt Sergei Kopeikin, natuurkundige aan de Universiteit van Missouri-Columbia.
"We hebben vastgesteld dat de voortplantingssnelheid van de zwaartekracht gelijk is aan de lichtsnelheid met een nauwkeurigheid van 20 procent", zegt Ed Fomalont, astronoom bij het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, VA. De wetenschappers presenteerden hun bevindingen op de bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle, WA.
De mijlpaalmeting is belangrijk voor natuurkundigen die werken aan verenigde veldtheorieën die proberen de deeltjesfysica te combineren met Einsteins algemene relativiteitstheorie en elektromagnetische theorie.
"Onze meting legt een aantal sterke limieten op aan de theorieën die extra dimensies voorstellen, zoals superstringtheorie en braan-theorieën," zei Kopeikin. "Het kennen van de snelheid van de zwaartekracht kan een belangrijke test zijn voor het bestaan en de compactheid van deze extra dimensies", voegde hij eraan toe.
De superstring-theorie stelt dat de fundamentele deeltjes van de natuur niet puntvormig zijn, maar eerder ongelooflijk kleine lussen of snaren, waarvan de eigenschappen worden bepaald door verschillende trillingsmodi. Branen (een woord afgeleid van membranen) zijn multidimensionale oppervlakken en sommige huidige fysieke theorieën stellen ruimte-tijd branen voor die zijn ingebed in vijf dimensies.
De wetenschappers gebruikten de Very Long Baseline Array (VLBA) van de National Science Foundation, een continentaal radiotelescoopsysteem, samen met de 100 meter radiotelescoop in Effelsberg, Duitsland, om een uiterst nauwkeurige waarneming te maken toen de planeet Jupiter bijna in voorkant van een heldere quasar op 8 september 2002.
De waarneming registreerde een zeer lichte "buiging" van de radiogolven afkomstig van de achtergrondquasar door het zwaartekrachtseffect van Jupiter. Het buigen resulteerde in een kleine verandering in de schijnbare positie van de quasar in de lucht.
"Omdat Jupiter rond de zon beweegt, hangt de precieze mate van buiging enigszins af van de snelheid waarmee de zwaartekracht zich vanuit Jupiter voortplant," zei Kopeikin.
Jupiter, de grootste planeet in het zonnestelsel, passeert slechts een keer per decennium slechts dicht genoeg bij het pad van radiogolven van een voldoende heldere quasar om een dergelijke meting te doen, aldus de wetenschappers.
De hemelse uitlijning van een keer in een decennium was de laatste in een reeks gebeurtenissen die het meten van de zwaartekracht mogelijk maakte. De andere omvatten een toevallige ontmoeting van de twee wetenschappers in 1996, een doorbraak in de theoretische fysica en de ontwikkeling van gespecialiseerde technieken die het mogelijk maakten de uiterst nauwkeurige meting uit te voeren.
"Niemand had eerder geprobeerd de snelheid van de zwaartekracht te meten, omdat de meeste natuurkundigen hadden aangenomen dat de enige manier om dit te doen was het detecteren van zwaartekrachtsgolven", herinnert Kopeikin zich. In 1999 breidde Kopeikin de theorie van Einstein echter uit met de zwaartekrachteffecten van een bewegend lichaam op licht en radiogolven. De effecten waren afhankelijk van de zwaartekracht. Hij realiseerde zich dat als Jupiter zich bijna voor een ster of radiobron bewoog, hij zijn theorie kon testen.
Kopeikin bestudeerde de voorspelde baan van Jupiter voor de komende 30 jaar en ontdekte dat de gigantische planeet in 2002 dicht genoeg voor de quasar J0842 + 1835 zou passeren. Hij realiseerde zich echter al snel dat het effect op de schijnbare positie van de quasar in de lucht toe te schrijven is de zwaartekracht zou zo klein zijn dat de enige observatietechniek die het kon meten, Very Long Baseline Interferometry (VLBI) was, de techniek belichaamd in de VLBA. Kopeikin nam vervolgens contact op met Fomalont, een toonaangevende expert in VLBI en een ervaren VLBA-waarnemer.
"Ik realiseerde me meteen het belang van een experiment dat de eerste meting van een fundamentele natuurconstante zou kunnen maken", zei Fomalont. 'Ik besloot dat we dit ons best moesten doen', voegde hij eraan toe.
Om het vereiste nauwkeurigheidsniveau te bereiken, hebben de twee wetenschappers de Effelsberg-telescoop aan hun waarneming toegevoegd. Hoe groter de scheiding tussen twee radiotelescoopantennes, hoe groter het oplossend vermogen of het vermogen om fijne details te zien, haalbaar. De VLBA omvat antennes op Hawaï, de continentale Verenigde Staten en St. Croix in het Caribisch gebied. Een antenne aan de andere kant van de Atlantische Oceaan zorgde voor nog meer oplossend vermogen.
"We moesten een meting doen met ongeveer drie keer meer nauwkeurigheid dan iemand ooit had gedaan, maar we wisten in principe dat het kon," zei Fomalont. De wetenschappers testten en verfijnden hun technieken in 'dry runs' en wachtten vervolgens tot Jupiter zijn pas voor de quasar maakte.
Het wachten omvatte behoorlijk wat nagelbijten. Uitval van apparatuur, slecht weer of een elektromagnetische storm op Jupiter zelf had de waarneming kunnen saboteren. Het geluk hield echter stand en de waarnemingen van de wetenschappers bij een radiofrequentie van 8 GigaHertz leverden voldoende goede gegevens op om hun meting te doen. Ze bereikten een precisie die gelijk was aan de breedte van een mensenhaar, gezien vanaf 250 mijl afstand.
“Ons belangrijkste doel was om een oneindige snelheid voor de zwaartekracht uit te sluiten, en we deden het nog beter. We weten nu dat de snelheid van de zwaartekracht waarschijnlijk gelijk is aan de snelheid van het licht, en we kunnen met vertrouwen elke snelheid voor de zwaartekracht uitsluiten die meer dan tweemaal zo hoog is als die van licht, ”zei Fomalont.
De meeste wetenschappers, aldus Kopeikin, zullen opgelucht zijn dat de snelheid van de zwaartekracht overeenkomt met de snelheid van het licht. “Ik geloof dat dit experiment een nieuw licht werpt op de basisprincipes van algemene relativiteit en het vertegenwoordigt de eerste van veel meer studies en waarnemingen van gravitatie die momenteel mogelijk zijn vanwege de enorm hoge precisie van VLBI. We hebben nog veel meer te leren over deze intrigerende kosmische kracht en zijn relatie tot de andere krachten in de natuur, 'zei Kopeikin.
Dit is niet de eerste keer dat Jupiter een rol heeft gespeeld bij het produceren van een meting van een fundamentele fysieke constante. In 1675 maakte Olaf Roemer, een Deense astronoom werkzaam bij het Observatorium van Parijs, de eerste redelijk nauwkeurige bepaling van de lichtsnelheid door verduisteringen van een van de manen van Jupiter te observeren.
Oorspronkelijke bron: NRAO-persbericht
