หนึ่งในการทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ก็คือว่าวัตถุที่หมุนรอบตัวจะลากโครงสร้างของกาลอวกาศที่อยู่ใกล้เคียงไปด้วย สิ่งนี้เรียกว่า “การลากเฟรม” ในชีวิตประจำวัน การลากเฟรมนั้นตรวจจับไม่ได้และไม่สำคัญ เนื่องจากผลกระทบนั้นน้อยมากจนน่าขัน การตรวจจับการลากเฟรมที่เกิดจากการหมุนของโลกทั้งหมดต้องใช้ดาวเทียม เช่น Gravity Probe B มูลค่า 750 ล้านดอลลาร์สหรัฐ และการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเชิงมุม
ในไจโรสโคปซึ่งเทียบเท่าเพียง 1 องศาทุกๆ 100,000 ปีหรือมากกว่า
โชคดีสำหรับเรา จักรวาลมีห้องทดลองเกี่ยวกับความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติหลายแห่ง ซึ่งนักฟิสิกส์สามารถสังเกตการทำนายของไอน์สไตน์ได้โดยละเอียด งานวิจัยของทีมเราซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ในนิตยสาร Scienceเผยให้เห็นหลักฐานของการลากเฟรมในระดับที่เห็นได้ชัดเจนกว่ามาก โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุและดาวฤกษ์ขนาดเล็กคู่หนึ่งซึ่งโคจรรอบกันและกันด้วยความเร็วที่น่าเวียนหัว
การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เหล่านี้จะทำให้นักดาราศาสตร์ในยุคของนิวตันงุนงง เนื่องจากพวกมันเคลื่อนที่ในกาลอวกาศที่บิดเบี้ยวอย่างชัดเจน และต้องใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในการอธิบายวิถีโคจรของพวกมัน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นรากฐานของทฤษฎีความโน้มถ่วงสมัยใหม่ อธิบายการเคลื่อนที่อย่างแม่นยำของดวงดาว ดาวเคราะห์ และดาวเทียม และแม้แต่การไหลของเวลา หนึ่งในคำทำนายที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักคือวัตถุที่หมุนรอบตัวจะดึงกาลอวกาศไปด้วย ยิ่งวัตถุหมุนเร็วและมวลมากเท่าใด แรงลากก็จะยิ่งแรงมากขึ้นเท่านั้น
วัตถุประเภทหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับสิ่งนี้มากเรียกว่าดาวแคระขาว นี่คือแกนที่เหลือจากดาวที่ตายแล้วซึ่งครั้งหนึ่งเคยมีมวลหลายเท่าของดวงอาทิตย์ของเรา แต่หลังจากนั้นก็หมดเชื้อเพลิงไฮโดรเจน สิ่งที่เหลืออยู่มีขนาดใกล้เคียงกับโลกแต่มีมวลมากกว่าหลายแสนเท่า ดาวแคระขาวยังสามารถหมุนเร็วมาก โดยหมุนทุกๆ นาทีหรือสองนาที แทนที่จะหมุนทุกๆ 24 ชั่วโมงเหมือนโลก
การลากเฟรมที่เกิดจากดาวแคระขาวดังกล่าวจะมีพลังประมาณ 100 ล้านเท่าของโลก ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่ดีและดี แต่เราไม่สามารถบินไปหาดาวแคระขาวและปล่อยดาวเทียมรอบๆ ดาวแคระขาวได้ อย่างไรก็ตาม โชคดีที่ธรรมชาติมีความเมตตาต่อนักดาราศาสตร์และมีวิธีของมันเองในการให้เราสังเกตพวกมันผ่านดาวฤกษ์ที่โคจรรอบเรียกว่าพัลซาร์
เมื่อ 20 ปีก่อน กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Parkes ของ CSIRO ค้นพบ
คู่ดาวฤกษ์ที่ไม่เหมือนใคร ประกอบด้วยดาวแคระขาว (ขนาดประมาณโลกแต่หนักกว่า 300,000 เท่า) และพัลซาร์วิทยุ (ขนาดเท่าเมืองแต่หนักกว่า 400,000 เท่า)
เมื่อเทียบกับดาวแคระขาว พัลซาร์อยู่ในกลุ่มอื่นโดยสิ้นเชิง พวกมันไม่ได้สร้างจากอะตอมทั่วไป แต่เกิดจากนิวตรอนอัดแน่นเข้าด้วยกัน ทำให้พวกมันมีความหนาแน่นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ ยิ่งไปกว่านั้น พัลซาร์ในการศึกษาของเราหมุน 150 ครั้งทุกนาที
ซึ่งหมายความว่า 150 ครั้งทุกๆ นาที “ลำแสงประภาคาร” ของคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากพัลซาร์นี้จะเคลื่อนผ่านจุดที่มองเห็นของเราบนโลกนี้ เราสามารถใช้สิ่งนี้ทำแผนที่เส้นทางของพัลซาร์ขณะที่มันโคจรรอบดาวแคระขาว โดยกำหนดจังหวะเมื่อชีพจรมาถึงกล้องโทรทรรศน์ของเราและทราบความเร็วแสง วิธีนี้เผยให้เห็นว่าดาวทั้งสองดวงโคจรรอบกันในเวลาน้อยกว่า 5 ชั่วโมง
คู่นี้เรียกอย่างเป็นทางการว่า PSR J1141-6545 เป็นห้องปฏิบัติการแรงโน้มถ่วงในอุดมคติ ตั้งแต่ปี 2544 เราได้เดินทางไปยัง Parkes ปีละหลายครั้งเพื่อทำแผนที่วงโคจรของระบบนี้ ซึ่งแสดงผลแรงโน้มถ่วงมากมายของไอน์สไตน์
การทำแผนที่วิวัฒนาการของวงโคจรไม่ได้มีไว้สำหรับคนใจร้อน แต่การวัดของเรานั้นแม่นยำจนน่าขัน แม้ว่า PSR J1141-6545 จะอยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านล้านกิโลเมตร (หนึ่งพันล้านล้านล้านกิโลเมตร) เราทราบดีว่าพัลซาร์หมุนรอบตัวเอง 2.5387230404 ครั้งต่อวินาที และวงโคจรของมันแกว่งไปมาในอวกาศ ซึ่งหมายความว่าระนาบของวงโคจรไม่คงที่ แต่จะหมุนอย่างช้าๆ แทน
ระบบนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?
เมื่อเกิดคู่ดาวฤกษ์ขึ้น ดาวดวงหนึ่งที่มีมวลมากที่สุดจะเสียชีวิตก่อน มักจะสร้างเป็นดาวแคระขาว ก่อนที่ดาวดวงที่สองจะดับ มันจะส่งสสารไปยังดาวแคระขาวที่อยู่ร่วม ดิสก์ก่อตัวขึ้นเมื่อสสารนี้พุ่งเข้าหาดาวแคระขาว และในช่วงเวลาหลายหมื่นปี มันจะเร่งความเร็วของดาวแคระขาว จนกว่ามันจะหมุนรอบตัวเองทุกๆ สองสามนาที
ในบางกรณีที่เกิดขึ้นไม่บ่อยเช่นนี้ ดาวฤกษ์ดวงที่สองสามารถระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาและทิ้งพัลซาร์ไว้เบื้องหลัง ดาวแคระขาวที่หมุนอย่างรวดเร็วจะลากกาลอวกาศไปรอบๆ ทำให้ระนาบการโคจรของพัลซาร์เอียงขณะที่มันถูกลากไปด้วย การเอียงนี้เป็นสิ่งที่เราสังเกตได้จากการทำแผนที่วงโคจรของพัลซาร์ของผู้ป่วย
เพิ่มเติม: เราตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ เราแค่ไม่รู้ว่ามันมาจากไหน (ยัง)
ไอน์สไตน์เองคิดว่าคำทำนายมากมายของเขาเกี่ยวกับอวกาศและเวลานั้นไม่สามารถสังเกตได้ แต่ไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้เห็นการปฏิวัติทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์สุดโต่ง รวมถึงการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงและการถ่ายภาพเงาของหลุมดำด้วยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่ทั่วโลก การค้นพบเหล่านี้เกิดขึ้นจากสิ่งอำนวยความสะดวกมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์
โชคดีที่ยังมีบทบาทในการสำรวจทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุอายุ 50 ปีเช่นเดียวกับที่ Parkes และสำหรับการรณรงค์ผู้ป่วยโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษารุ่นต่อรุ่น
เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
