Η απάντηση είναι ένα αποτέλεσμα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν που ονομάζεται «βαρυτική μετατόπιση», όπου το φως μετατοπίζεται σε πιο κόκκινα χρώματα λόγω της βαρύτητας.
Χρησιμοποιώντας το Παρατηρητήριο Ακτίνων Χ Chandra της NASA, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν το φαινόμενο σε δύο αστέρια σε τροχιά γύρω από τον γαλαξία μας, περίπου 29.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη. Ενώ αυτά τα αστέρια είναι πολύ μακριά, οι βαρυτικές μετατοπίσεις έχουν απτές επιπτώσεις στη σύγχρονη ζωή, καθώς οι επιστήμονες και οι μηχανικοί πρέπει να τα λάβουν υπόψη για να επιτρέψουν ακριβείς θέσεις για το GPS.
Ενώ οι επιστήμονες έχουν βρει αναμφισβήτητες ενδείξεις βαρυτικών αλλαγών στο ηλιακό μας σύστημα, ήταν δύσκολο να τις παρατηρήσουμε σε πιο μακρινά αντικείμενα στο διάστημα. Τα νέα αποτελέσματα του Chandra παρέχουν πειστικά αποδεικτικά στοιχεία για βαρυτικά εφέ αλλαγής βάρους στο παιχνίδι σε ένα νέο κοσμικό περιβάλλον.
Το ενδιαφέρον σύστημα γνωστό ως 4U 1916-053 περιέχει δύο αστέρια σε μια εξαιρετικά κοντινή τροχιά. Ο ένας είναι ο πυρήνας ενός αστεριού που έχει αφαιρεθεί τα εξωτερικά του στρώματα, αφήνοντας ένα αστέρι που είναι πολύ πυκνότερο από τον Ήλιο. Το άλλο είναι ένα αστέρι νετρονίων, ένα ακόμη πυκνότερο αντικείμενο που δημιουργήθηκε όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει σε μια έκρηξη σουπερνόβα. Το αστέρι νετρονίων (γκρι) εμφανίζεται στην εντύπωση αυτού του καλλιτέχνη στο κέντρο ενός δίσκου ζεστού αερίου που απομακρύνεται από τον σύντροφό του (λευκό αστέρι στα αριστερά).
Αυτά τα δύο συμπαγή αστέρια απέχουν μόνο περίπου 215.000 μίλια, περίπου την απόσταση μεταξύ της Γης και της Σελήνης. Ενώ η Σελήνη περιστρέφεται γύρω από τον πλανήτη μας μία φορά το μήνα, το πυκνό αστέρι συντροφιάς στο 4U 1916-053 κτυπά γύρω από το αστέρι νετρονίων και ολοκληρώνει μια πλήρη τροχιά σε μόλις 50 λεπτά.
Στη νέα εργασία της 4U 1916-053, η ομάδα ανέλυσε τα φάσματα ακτίνων Χ – δηλαδή τις ποσότητες των ακτίνων X σε διαφορετικά μήκη κύματος – από την Chandra. Βρήκαν τη χαρακτηριστική υπογραφή της απορρόφησης ακτίνων Χ από σίδηρο και πυρίτιο στα φάσματα. Σε τρεις ξεχωριστές παρατηρήσεις με τον Chandra, τα δεδομένα δείχνουν απότομη πτώση της ανιχνευθείσας ποσότητας ακτίνων Χ κοντά στα μήκη κύματος όπου τα άτομα σιδήρου ή πυριτίου αναμένεται να απορροφήσουν τις ακτίνες Χ. Ένα από τα φάσματα που δείχνουν απορρόφηση από σίδηρο περιλαμβάνεται στο κύριο γράφημα και ένα πρόσθετο γράφημα δείχνει ένα φάσμα με απορρόφηση από πυρίτιο.
Ωστόσο, τα μήκη κύματος αυτών των χαρακτηριστικών υπογραφών σιδήρου και πυριτίου μετατοπίστηκαν σε μεγαλύτερα ή πιο κόκκινα μήκη κύματος σε σύγκριση με τις εργαστηριακές τιμές που βρέθηκαν εδώ στη Γη (εμφανίζονται με τη διακεκομμένη γραμμή). Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μετατόπιση των χαρακτηριστικών απορρόφησης ήταν η ίδια σε καθεμία από τις τρεις παρατηρήσεις του Chandra και ότι ήταν πολύ μεγάλη για να εξηγηθεί με κίνηση μακριά από εμάς. Αντίθετα, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι προκλήθηκε από βαρυτική μετατόπιση.
Πώς συνδέεται με τη Γενική Σχετικότητα και το GPS; Όπως προέβλεπε η θεωρία του Αϊνστάιν, τα ρολόγια υπό τη δύναμη της βαρύτητας κινούνται με βραδύτερο ρυθμό από τα ρολόγια που παρατηρούνται από μια μακρινή περιοχή που βιώνουν ασθενέστερη βαρύτητα. Αυτό σημαίνει ότι τα ρολόγια στη Γη που παρατηρούνται από δορυφόρους σε τροχιά λειτουργούν με βραδύτερο ρυθμό. Για να έχετε την υψηλή ακρίβεια που απαιτείται για το GPS, αυτό το εφέ πρέπει να ληφθεί υπόψη ή θα υπάρξουν μικρές διαφορές στο χρόνο που θα προστεθούν γρήγορα, υπολογίζοντας ανακριβείς θέσεις.
Όλοι οι τύποι φωτός, συμπεριλαμβανομένων των ακτίνων Χ, επηρεάζονται επίσης από τη βαρύτητα. Μια αναλογία είναι αυτή ενός ατόμου που τρέχει μια κυλιόμενη σκάλα που κατεβαίνει. Καθώς το κάνουν αυτό, το άτομο χάνει περισσότερη ενέργεια από ό, τι αν η κυλιόμενη σκάλα ήταν στάσιμη ή ανέβαινε. Η δύναμη της βαρύτητας έχει παρόμοια επίδραση στο φως, όπου η απώλεια ενέργειας δίνει χαμηλότερη συχνότητα. Επειδή το φως στο κενό ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα, η απώλεια ενέργειας και η χαμηλότερη συχνότητα σημαίνει ότι το φως, συμπεριλαμβανομένων των υπογραφών του σιδήρου και του πυριτίου, μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.
Αυτή είναι η πρώτη ισχυρή ένδειξη ότι οι υπογραφές απορρόφησης μετατοπίζονται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος από τη βαρύτητα σε ένα ζευγάρι αστεριών που έχει είτε ένα αστέρι νετρονίων είτε μια μαύρη τρύπα. Έχουν παρατηρηθεί προηγουμένως ισχυρές ενδείξεις για βαρυτικές μετατοπίσεις στην απορρόφηση από την επιφάνεια των λευκών νάνων, με μετατοπίσεις μήκους κύματος τυπικά μόνο περίπου το 15% από αυτές για 4U 1916-053.
Οι επιστήμονες λένε ότι είναι πιθανό ότι μια αέρια ατμόσφαιρα που καλύπτει τον δίσκο κοντά στο αστέρι νετρονίων (εμφανίζεται με μπλε χρώμα) απορροφά τις ακτίνες Χ, παράγοντας αυτά τα αποτελέσματα. Το μέγεθος της μετατόπισης στα φάσματα επέτρεψε στην ομάδα να υπολογίσει πόσο μακριά αυτή η ατμόσφαιρα είναι μακριά από το αστέρι νετρονίων, χρησιμοποιώντας τη Γενική Σχετικότητα και υποθέτοντας μια τυπική μάζα για το αστέρι νετρονίων. Διαπίστωσαν ότι η ατμόσφαιρα βρίσκεται 1.500 μίλια από το αστέρι νετρονίων, περίπου τη μισή απόσταση από το Λος Άντζελες έως τη Νέα Υόρκη και ισοδυναμεί με μόλις 0,7% της απόστασης από το αστέρι νετρονίων στον σύντροφο. Είναι πιθανό να εκτείνεται πάνω από μερικές εκατοντάδες μίλια από το αστέρι νετρονίων.
Σε δύο από τα τρία φάσματα υπάρχουν επίσης ενδείξεις για υπογραφές απορρόφησης που έχουν μετατοπιστεί σε ακόμη πιο κόκκινα μήκη κύματος, που αντιστοιχούν σε απόσταση μόλις 0,04% της απόστασης από το αστέρι νετρονίων στον σύντροφο. Ωστόσο, αυτές οι υπογραφές ανιχνεύονται με λιγότερη εμπιστοσύνη από αυτές που βρίσκονται πιο μακριά από το αστέρι νετρονίων.
Οι επιστήμονες έχουν επωμισθεί περαιτέρω χρόνο παρατήρησης κατά το προσεχές έτος για να μελετήσουν αυτό το σύστημα με περισσότερες λεπτομέρειες.
Ένα έγγραφο που περιγράφει αυτά τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκε στις 10 Αυγούστου 2020 στο τεύχος του The Astrophysical Journal Letter και δημοσιεύτηκε επίσης στο εδώ.