tovább fel vissza

General relativity

Dr. Gyula Bene
Department for Theoretical Physics, Loránd Eötvös University
Pázmány Péter sétány 1/A, 1117 Budapest
12. week

Az általános relativitáselmélet kísérleti bizonyítékai II.

Erőmentes pörgettyű precessziója: a Gravity Probe B kísérlet

Amint a 3.3 szakaszban láttuk, stacionárius, de nem sztatikus gravitációs mezőkben nyugvó pörgettyűk tengelyiránya kúpfelület mentén lassan elfordul, precesszál. A gyenge gravitációs mezők tárgyalásakor megmutattuk, hogy a Föld forgása miatt a Föld gravitációs mezejének is nullától különböző $g_{0\alpha}$ komponensei vannak. Gyenge stacionárius gravitációs mezőkben a (\ref{porg1}) egyenlet vezető rendben $$\begin{align} \frac{dn^\alpha}{dx^0}=-\frac{1}{2}g_{0\beta,\alpha}n^\beta\phantom{probe1} \end{align}$$ alakú lesz. Ennek megfelelően egy a Föld forgásában részt nem vevő erőmentes pörgettyű tengelye precesszál (Lense-Thirring-effektus\footnote{Ugyanígy nevezik azt a jelenséget is, amikor egy égitest forgása miatt a körülötte keringő tömegpont pályasíkja elfordul.}). Valóban, ha a (\ref{gyeng7a}) képletet az (\ref{probe1}) egyenletbe helyettesítjük, azt kapjuk, hogy $$\begin{align} \dot{\bf n}=\frac{k}{c^2r^5}\left\{r^2\left({\bf n}\times{\bf J}\right)-3\left[{\bf r}\cdot\left({\bf n}\times{\bf J}\right)\right]{\bf r}\right\}\;.\phantom{probe2} \end{align}$$ Az effektus kimutatásához egy pörgettyűt kell az űrben elhelyezni, hogy ne forogjon együtt a Földdel. Ahhoz, hogy ne zuhanjon le, keringenie is kell a Föld körül (lehetőleg minél közelebb a Földhöz, mivel az effektus a távolság harmadik hatványával fordítottan arányos). A keringés, mint korábban láttuk, a Thomas-precesszióra vezet, ami a keringés síkjára merőleges tengely körüli precesszió.\footnote{Együtt keringő koordinátarendszerben a Thomas-precessziót a (\ref{probe1}) egyenletből is levezethetjük.} A tényleges kísérlet, a Gravity Probe B esetén a keringés síkja a Föld tengelyével párhuzamos volt, mivel így a kétféle precesszió egymásra merőleges elmozdulást eredményez\footnote{A két effektus egyidejű jelenléte csak magasabb rendben eredményez korrekciót, így elhanyagolható.}, ami lehetővé teszi az elkülönítésüket. Valóban, egy ilyen pályára kiátlagolva a (\ref{probe2}) egyenletet (mivel a precesszió nagyon lassú, az átlagolás folyamán a pörgettyű tengelyének irányvektora, ${\bf n}$ állandónak tekinthető), $$\begin{align} \dot{\bf n}=\frac{k}{2c^2r^3}\left({\bf J}\times{\bf n}\right)\;.\phantom{probe3} \end{align}$$ adódik. Ezzel szemben a Thomas-precesszió (amit ez esetben geodetikus-precessziónak szokás nevezni) egyenlete a (\ref{porg2a})-(\ref{porg2c}) egyenletek alapján $$\begin{align} \dot{\bf n}=-\frac{r^2\omega^3}{2c^2}\left({\bf s}\times{\bf n}\right)=-\frac{(kM)^{3/2}}{2c^2r^{5/2}}\left({\bf s}\times{\bf n}\right)\;,\phantom{probe4} \end{align}$$ ahol $\omega$ a keringés szögsebessége, $M$ a Föld tömege és ${\bf s}$ a pályasík normálvektora. Ez utóbbi az egyenlítői síkkal párhuzamos. \par\medskip 40 év tervezés és előkészítés után 2004-ben állították pályára a Gravity Probe B műholdat, amely 2005-ig gyűjtötte az adatokat. Négy darab kb. pingponglabda méretű, nióbiumbevonatú\footnote{A szupravezetés érdekében, mert ennek segítségével tartották őket helyben ill. mérték a forgásukat.} kvarcgömb volt a pörgettyű, az ismert legtökéletesebb gömbök, kb. 50 atomrétegnyi pontossággal. Az eredmények kiértékelése 2011-ig tartott, végül a (\ref{probe3}) képletből adódó $0.037$ szögmásodperc/év precessziót (``frame dragging''), amely a Föld forgásának következménye, 19\%-os pontossággal sikerült igazolni. A (\ref{probe4}) geodetikus precesszió $6.6$ szögmásodperc/év, ezt 0.2\% pontossággal igazolta a mérés.

Gravitációs hullámok kisugárzása: a Hulse-Taylor-pulzár

1974-ben J.H.Taylor és R.A.Hulse az arecibo-i (Puerto Rico) 300 m-es rádiótávcsővel felfedezett egy pulzárt. A pulzárok neutroncsillagok, tömegük a Napénál valamivel nagyobb, de sugaruk csak 10 km körüli. Erős rádiósugárzást bocsátanak ki a mágneses tengelyük mentén egy keskeny nyalábban. Ha a forgástengely nem esik egybe a mágneses tengellyel, a rádiónyaláb egy kúpfelületet söpör végig. Ha a Föld véletlenül ezen a kúpfelületen van, akkor a forgás ütemében a pulzár irányából rádióimpulzus észlelhető. A Hulse és Taylor felfedezte PSR B1913+16 jelű pulzár\footnote{Felfedezőik tiszteletére Hulse-Taylor kettőspulzárnak is nevezik.} esetében az észlelés 430 Mhz-en történt, és a rádióimpulzusok frekvenciája 59 ms volt (17 fordulat másodpercenként). Ez a frekvencia azonban ingadozott. A pulzárok forgása nagyon stabil, ezért a változás annak tulajdonítható, hogy a pulzár láthatatlan kísérője körül kering, és az impulzusok frekvenciája ennek során a Doppler-effektus miatt változik. Az impulzusok alapos elemzéséből meg lehetett határozni a kettős rendszer pályaelemeit. Kiderült, hogy mindkét csillag neutroncsillag közel egyenlő, 1.4 naptömegnyi tömeggel. Megnyúlt ellipszispályán keringenek a kettős tömegközéppontja körül, a legkisebb távolságuk 746 600 km, a legnagyobb 3 153 600 km. A pálya síkja kb. 45 fokos szöget zár be a megfigyelés irányával. A keringés periódusideje mindössze 7.75 óra. Ilyen körülmények között a periasztron-elfordulás (a perihélium-elfordulás neve a Naptól különböző csillagok esetében) lényegesen nagyobb, mint a Merkur esetében (ahol 43 szögmásodperc évszázadonként): 4 fok évenként. Az alapos elemzés megmutatta, hogy a keringés periódusideje évente 76.5 mikroszekundummal csökken. Ez a csökkenés a gravitációs hullámok kisugárzásából ered. A (\ref{gyeng_sug10}) formula (ill. ellipszispályákra érvényes általánosítása) a kettős rendszerre alkalmazva a periódusidő csökkenéséről 0.2\%-os pontossággal számot ad (Weisberg és Taylor, 2004).\footnote{Hulse és Taylor eredményei ennél pontatlanabbak voltak, de a felfedezés óta folyamatosan gyűlnek az adatok.} Taylor és Hulse felfedezésükért 1993-ban Nobel-díjat kaptak.

Gravitációs hullámok földi észlelése


tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu