Mennesket har altid været optaget af at forstå kræfterne i naturen, som H. C. Ørsted var det for 200 år siden med opdagelsen af elektromagnetismen eller Einstein med tyngdekraften for omkring 100 år siden.

Tyngdekraften er måske den af de fire kendte naturkræfter, som er sværest at beskrive rent videnskabeligt. Vores nutidige forståelse af den bygger på Einsteins geometriske fortolkning, den generelle relativitetsteori, fremsat i 1915. Desværre har Einsteins teori den mangel, at den ikke kan forenes med kvantefysik. At forene disse to beskrivelser er en af den moderne fysiks største målsætninger. Nøglen til dette kræver undersøgelser under ekstreme forhold.  

De stærkeste tyngdekræfter finder man i omegnen af kompakte objekter, såsom sorte huller, neutronstjerner og hvide dværge  ?  som er de tilbageblevne kerner af udbrændte stjerner. Det er velkendt at disse objekter krummer rumtiden omkring sig, således at fx lys afbøjes i deres baner omkring dem.

Men ikke nok med det. Hvis sådanne kompakte objekter roterer, vil de trække rumtiden med rundt. Det fænomen kaldes frame dragging, en teori oprindeligt fremsat af de østrigske fysikere Lense og Thirring i 1918. Frame dragging vil bl.a. have den effekt, at et roterende objekt i nærheden vil dreje rundt som en snurretop  ?  altså at dens rotationsakse slingrer (præcesserer) under bevægelsen.  

Den danske astrofysiker Thomas Tauris, der er professor på Aarhus Universitet ved Aarhus Institute of Advanced Studies og Institut for Fysik og Astronomi, har netop bidraget med væsentlige teoretiske beregninger til et nyt studie af disse effekter. Det videnskabelige fund offentliggøres den 31. januar i det anerkendte tidsskrift Science.

Frame dragging i et dobbeltstjernesystem

Sammen med et internationalt team af astrofysikere fra Tyskland, Australien og Danmark, under ledelse af Dr. Vivek Venkatraman Krishnan (Max Planck Instituttet for Radioastronomi i Bonn), har Thomas Tauris netop studeret effekterne af frame dragging i et dobbeltstjernesystem, hvor en radiopulsar (en hurtigt roterende neutronstjerne med et kraftigt magnetfelt) er i tæt omløb med en hvid dværg. Det er første gang at dette fænomen påvises i et sådant system.

“Påvisningen af frame dragging er muligt, fordi de periodiske signaler fra radiopulsarens rotation kan måles med meget stor præcision i dens 5-timers bane omkring den hvide dværg. Så det vi nu kan påvise, er effekten (den såkaldte Lense-Thirring effekt) af rumtiden, der hvirvles med rundt på grund af rotationen af den hvide dværg”, udtaler Professor Thomas Tauris.

70 millioner supernovaeksplosioner

For at kunne fortolke målingerne, har Thomas Tauris udført de teoretiske beregninger af rotationen af den hvide dværg samt hældningen af dens rotationsakse.

“Den hvide dværg roterer så hurtigt, fordi den har fået overført masse fra dens nabostjerne, før denne eksploderede i en supernovaeksplosion og skabte den radiopulsar, vi observerer i dag. Vi har beregnet masseoverførslen i detalje samt effekten af supernovaeksplosionen ud fra 70 millioner simuleringer”, fortsætter Thomas Tauris.

Denne opdagelse, og mange andre spændende fænomener, vil blive flittigt diskuteret i maj måned hvor Aarhus Institute of Advanced Studies (AIAS) ved Aarhus Universitet er vært for en stor international konference om netop neutronstjerner. 

Faktaboks:

Den hvide dværg J1141-6545 roterer hurtigt med en rotationsperiode på omkring 100 sek., hvilket forårsager frame dragging med en styrke som svarer til at et koordinatsystem placeret på dens nordpol vil rotere rundt med 16 grader i løbet af 24 timer. Til sammenligning vil frame dragging på grund af Jordens rotation få et tilsvarende koordinatsystem til at rotere med 16 grader i løbet af 270.000 år  ?  altså med en effekt som er 100 millioner gange mindre. Den store forskel i virkning skyldes, at den hvide dværg er meget tungere og roterer betydeligt hurtigere end Jorden.

Videnskabelig artikel: ”Lense-Thirring frame-dragging induced by a fast rotating white dwarf in a binary pulsar system” af V. Venkatraman Krishnan, M. Bailes, W. van Straten, N. Wex, P.C.C. Freire, E.F. Keane, T.M. Tauris, P.A. Rosado, N.D.R. Bhat, C. Flynn, A. Jameson, S. Os?owski i: Science, 31. januar 2020.

Kontakt:
Professor Thomas Tauris, AIAS Fellow
tauris@aias.au.dk
Tel: +45 87153682

Aarhus Institute of Advanced Studies (AIAS) og
Institut for Fysik og Astronomi
Aarhus Universitet

Høegh-Guldbergs Gade 6B
DK-8000 Aarhus C