Zware pulsar stelt algemene relativiteitstheorie op de proef

Astronomen, onder wie Joeri van Leeuwen en Jason Hessels van de Universiteit van Amsterdam en Vlad Kondratiev van ASTRON, hebben een dubbelster opgespoord die bestaat uit een ongewoon zware neutronenster en een witte dwergster. Met dit bizarre tweetal kon Einsteins zwaartekrachtstheorie – de algemene relativiteitstheorie – sterker op de proef worden gesteld dan voorheen. Maar tot nu toe komen de waarnemingen exact overeen met Einsteins voorspellingen (Science, 26 april 2013).

De neutronenster, die 25 keer per seconde om zijn as tolt, is een pulsar die radiogolven uitzendt die met radiotelescopen op aarde kunnen worden ontvangen. De witte dwerg, die met een omlooptijd van tweeënhalf uur om de pulsar cirkelt, is waarneembaar met gewone, optische telescopen, zoals de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili.

De pulsar is het overblijfsel van een supernova-explosie. Hij is tweemaal zo zwaar als de zon, maar slechts twintig kilometer groot. De begeleidende witte dwerg is het gloeiende overblijfsel van een zonachtige ster die zijn atmosfeer heeft afgestoten en langzaam afkoelt.

De algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht verklaart als een gevolg van de kromming van de ruimtetijd door de aanwezigheid van massa en energie, heeft sinds haar publicatie, bijna een eeuw geleden, alle tests doorstaan. Maar naar verwachting is dit toch niet de definitieve zwaartekrachtstheorie: onder extreme omstandigheden, zoals die in een zwart gat, schiet Einsteins theorie tekort.

Natuurkundigen hebben al diverse alternatieve zwaartekrachtstheorieën ontwikkeld die andere voorspellingen doen dan de algemene relativiteitstheorie. Om dergelijke theorieën te kunnen toetsen, moet onderzoek worden gedaan van extreem sterke zwaartekrachtsvelden. De nu ontdekte dubbelster biedt die mogelijkheid.

Een compacte dubbelster als deze zendt zwaartekrachtsgolven uit en verliest daardoor energie. Dit leidt ertoe dat de afstand tussen de beide objecten heel langzaam kleiner wordt en hun omlooptijd afneemt. De algemene relativiteitstheorie en de alternatieve theorieën doen verschillende voorspellingen voor die afneming.

De astronomen hebben nu waarnemingen van de witte dwerg gecombineerd met een zeer nauwkeurige timing van de pulsen die de zware neutronenster uitzendt. De waarnemingen zijn zo nauwkeurig, dat een verandering in de omlooptijd van 8 miljoenste van een seconde per jaar kon worden gemeten. En dat is precies wat Einsteins theorie voorspelt.