Einsteins zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, voorspelt dat alle objecten op dezelfde manier vallen, ongeacht hun massa of samenstelling. Maar geldt dit principe ook voor objecten met extreem sterke zwaartekracht? Een internationaal team van astronomen heeft dit getest met behulp van drie sterren die om elkaar heen draaien: een neutronenster en twee witte dwergen. Hun bevindingen bewijzen dat Einsteins theorie de test ook doorstaat in dergelijke extreme omstandigheden. Het resultaat verschijnt in Nature op 5 juli 2018.
Een hamer en een veer vallen met dezelfde versnelling op de maan. En als een lichte en zware kanonskogel van de toren van Pisa worden gegooid, raken ze op hetzelfde moment de grond. Zelfs de aarde en de maan vallen op dezelfde manier naar de zon toe. Einsteins theorie heeft alle tests in laboratoria en elders in ons zonnestelsel doorstaan. Maar de meeste alternatieve zwaartekrachttheorieën voorspellen dat objecten met extreem sterke zwaartekracht, zoals neutronensterren, anders vallen dan objecten met geringe zwaartekracht.
Dankzij de ontdekking van een ‘natuurlijk, kosmisch laboratorium’ hebben astronomen deze theorie nu kunnen testen in extreme omstandigheden: het drievoudige stersysteem PSR J0337+1715, op 4200 lichtjaar afstand van de aarde. In dit unieke, in 2012 ontdekte systeem draaien een neutronenster en een witte dwerg in 1,6 dagen om elkaar heen. En dit paar cirkelt in een baan van 327 dagen om een andere witte dwerg, veel verder weg. Volgens sommige alternatieve zwaartekrachttheorieën zouden de neutronenster en de binnenste witte dwerg elk op een andere manier naar de buitenste witte dwerg moeten vallen.
“We hebben dit getest door de neutronenster te volgen”, licht eerste auteur Anne Archibald (postdoc aan de Universiteit van Amsterdam en ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie) toe. “De neutronenster, een millisecondepulsar, gedraagt zich als een klok: hij wentelt 366 keer per seconde om zijn as, en bundels radiogolven roteren mee. Ze zwaaien met regelmatige tussenpozen als een kosmische vuurtoren over de aarde en produceren pulsen. We hebben deze radiopulsen gebruikt om de beweging van de neutronenster te volgen.”
Het team van astronomen volgde de neutronenster zes jaar lang met de Westerbork Synthese Radiotelescoop in Nederland, de Green Bank Telescoop in West Virginia, VS en het Arecibo Observatorium in Puerto Rico, VS. “We kunnen elke puls van de neutronenster nagaan sinds het begin van onze waarnemingen”, zegt Archibald. “En zijn locatie weten we tot op een paar honderd meter nauwkeurig. We weten daarom heel precies waar de neutronenster is geweest en waar hij naartoe gaat. Als de neutronenster anders zou vallen dan de witte dwerg, zouden de pulsen op een ander tijdstip aankomen dan verwacht.”
Archibald en haar collega’s ontdekten dat een eventueel verschil tussen de versnelling van de neutronenster en van de witte dwerg te klein is om te detecteren. “Als er al een verschil is, is het niet meer dan drie op een miljoen”, zegt Nina Gusinskaia, promovenda aan de Universiteit van Amsterdam. “En dat is heel erg weinig. We ontkrachten hiermee een deel van de alternatieve zwaartekrachttheorieën. Ook hebben we de nauwkeurigheid van de beste zwaartekrachttest ongeveer tien keer verbeterd, zowel binnen het zonnestelsel als met andere pulsars.”
De veel strengere zwaartekrachttest was mogelijk doordat het team dit bijzondere driedubbelstersysteem ontdekte. Coauteur Jason Hessels, universitair hoofddocent bij ASTRON en de Universiteit van Amsterdam: “We kennen momenteel geen ander kosmisch laboratorium dat zo veelbelovend is. De toekomstige grootste radiotelescoop ter wereld, de Square Kilometre Array, zal naar verwachting de meeste detecteerbare pulsars in onze Melkweg vinden, waaronder tien keer zoveel millisecondepulsars als nu bekend zijn. Onder deze nog niet ontdekte systemen kunnen zich nog meer bijzondere systemen schuilhouden die ons helpen om het heelal beter te begrijpen: ongewone dubbelsterren, andere drievoudige systemen of een pulsar in een baan rond een zwart gat. Misschien kunnen deze sterren ons een eerste blik op een theorie voorbij die van Einstein bieden.”
