als de zon spontaan zou stoppen met het uitzenden van licht, zouden we het ongeveer 8 minuten en 20 seconden niet weten. Het licht dat hier op aarde aankomt, precies op dit moment, werd uitgezonden door de fotosfeer van de zon een eindige hoeveelheid tijd in het verleden, en wordt nu pas gezien na een reis over de 150 miljoen km (93 miljoen mijl) die de zon van de aarde scheidt. Als de zon nu donker wordt, komen we er pas achter als het licht niet meer komt.

maar hoe zit het met zwaartekracht?, Als de zon spontaan (op de een of andere manier) uit het bestaan werd verwijderd, hoe lang zou de aarde dan in haar elliptische baan blijven voordat ze in een rechte lijn zou vliegen? Geloof het of niet, het antwoord hierop moet precies dezelfde tijd zijn als voor licht: 8 minuten en 20 seconden. De snelheid van de zwaartekracht is niet alleen observationeel in ongelooflijk precieze mate gelijk aan de snelheid van het licht, maar deze twee constanten moeten theoretisch exact gelijk zijn, anders zou de algemene relativiteit uiteenvallen. Hier is de wetenschap achter waarom.,

voordat de algemene relativiteit kwam, was onze meest succesvolle zwaartekrachttheorie Newton ‘ s universele zwaartekrachtwet. Volgens Newton wordt de gravitatiekracht tussen twee objecten in de ruimte gedefinieerd door slechts vier parameters:

1. de gravitatieconstante van het heelal, G, die voor iedereen hetzelfde is.
2. de massa van het eerste object, m, dat de gravitatiekracht ervaart. (Volgens Einstein ‘ s equivalentieprincipe, is dit dezelfde m die in de bewegingswetten gaat, zoals F = ma.,)
3. de massa van het tweede object, M, dat het eerste object aantrekt.
4. de afstand tussen hen, r, die zich uitstrekt van het zwaartepunt van het eerste object tot het zwaartepunt van het tweede.

houd in gedachten dat dit de enige vier parameters zijn die zijn toegestaan in Newtoniaanse zwaartekracht. Je kunt allerlei berekeningen uit deze krachtwet uitvoeren om bijvoorbeeld elliptische planeetbanen rond de zon af te leiden. Maar de vergelijkingen werken alleen als de gravitatiekracht ogenblikkelijk is.,

Dit kan je een beetje in de war brengen., Immers, als de snelheid van de zwaartekracht slechts gelijk is aan de snelheid van het licht, in plaats van een oneindig snelle kracht, dan moet de aarde worden aangetrokken tot waar de zon 8 minuten en 20 seconden geleden was, niet waar de zon nu is, op dit specifieke moment in de tijd. Maar als je die berekening in plaats daarvan doet, en de aarde laat aangetrokken worden door de positie in het verleden van de zon in plaats van haar huidige positie, krijg je een voorspelling voor haar baan die zo grondig verkeerd is dat Newton zelf, met kwaliteitswaarnemingen die minder dan 100 jaar terug gaan (tot de tijd van Tycho Brahe), het had kunnen uitsluiten.,

als je de wetten van Newton zou gebruiken om de banen van de planeten te berekenen en zou eisen dat ze overeenkomen met moderne waarnemingen, dan zou niet alleen de snelheid van de zwaartekracht sneller moeten zijn dan de snelheid van het licht, het zou een minimum van 20 miljard keer sneller moeten zijn: niet te onderscheiden van een oneindige snelheid.

het probleem is dit: als je een centrale kracht hebt, waarbij een gebonden deeltje zoals (bijvoorbeeld) de Aarde wordt aangetrokken door de zon, maar met een eindige snelheid rond de zon beweegt (baan of zich voortplant), zul je alleen een zuiver elliptische baan krijgen als de voortplantingssnelheid van die kracht oneindig is., Als het eindig is, dan krijg je niet alleen een radiale versnelling (naar de andere massa), maar krijg je ook een component die je deeltje tangentieel versnelt.

Dit zou banen niet alleen elliptisch, maar instabiel maken. Op de schaal van slechts een eeuw zouden banen aanzienlijk verschuiven. In 1805 had Laplace waarnemingen van de maan gebruikt om aan te tonen dat de snelheid van de Newtoniaanse zwaartekracht 7 miljoen keer groter moet zijn dan de snelheid van het licht. Moderne beperkingen zijn nu 20 miljard keer de lichtsnelheid, wat geweldig is voor Newton. Maar dit alles legde een grote last op Einstein.,

volgens Einstein is er conceptueel een groot probleem met Newton ‘ s wet op de gravitatiekracht: de afstand tussen twee objecten is geen absolute grootheid, maar hangt af van de beweging van de waarnemer., Als je naar of weg beweegt van een denkbeeldige lijn die je trekt, zullen afstanden in die richting samentrekken, afhankelijk van je relatieve snelheden. Om de gravitatiekracht een berekenbare hoeveelheid te laten zijn, zouden alle waarnemers consistente resultaten moeten afleiden, iets dat je niet kunt krijgen door relativiteit te combineren met Newton ‘ s gravitatiekrachtwet.

daarom zou je volgens Einstein een theorie moeten ontwikkelen die zwaartekracht en relativistische bewegingen samenbracht, en dat betekende het ontwikkelen van algemene relativiteit: een relativistische theorie van beweging die zwaartekracht in zich opnam., Eenmaal voltooid, vertelde de algemene relativiteitstheorie een dramatisch ander verhaal.

om verschillende waarnemers tot overeenstemming te brengen over hoe zwaartekracht werkt, kan er niet zoiets bestaan als absolute ruimte, absolute tijd, of een signaal dat zich voortplant met oneindige snelheid., In plaats daarvan moeten ruimte en tijd beide relatief zijn voor verschillende waarnemers, en signalen kunnen zich alleen voortplanten met snelheden die exact gelijk zijn aan de lichtsnelheid (als het zich voortplantende deeltje massaloos is) of met snelheden die lager zijn dan de lichtsnelheid (als het deeltje massa heeft).

om dit uit te werken, moet er echter een bijkomend effect zijn om het probleem van een niet-nul tangentiële versnelling, die wordt veroorzaakt door een eindige zwaartekrachtsnelheid, weg te nemen., Dit fenomeen, dat bekend staat als gravitationele aberratie, wordt bijna precies teniet gedaan door het feit dat de algemene relativiteit ook snelheidsafhankelijke interacties heeft. Als de aarde door de ruimte beweegt, bijvoorbeeld, voelt ze de kracht van de zon veranderen als ze van positie verandert, op dezelfde manier als een boot die door de oceaan reist, in een andere positie naar beneden komt als ze weer wordt opgetild en neergelaten door een passerende Golf.

wat opmerkelijk is, en geenszins voor de hand liggend, is dat deze twee effecten bijna exact annuleren., Het feit dat de snelheid van de zwaartekracht eindig is, is wat deze gravitationele aberratie induceert, maar het feit dat de algemene relativiteit (in tegenstelling tot de Newtoniaanse zwaartekracht) snelheidsafhankelijke interacties heeft, is wat de Newtoniaanse zwaartekracht zo ‘ n goede benadering liet zijn. Er is maar één snelheid die werkt om deze annulering goed te maken: als de snelheid van de zwaartekracht gelijk is aan de snelheid van het licht.

dat is dus de theoretische motivatie waarom de zwaartekracht gelijk moet zijn aan de lichtsnelheid., Als je wilt dat planeetbanen consistent zijn met wat we hebben gezien, en consistent zijn voor alle waarnemers, heb je een zwaartekrachtsnelheid nodig die gelijk is aan c, en om je theorie relativistisch invariant te laten zijn. Er is echter nog een voorbehoud. In de algemene relativiteitstheorie is de annulering tussen de gravitationele aberratie en de snelheidsafhankelijke term bijna exact, maar niet helemaal. Alleen het juiste systeem kan het verschil onthullen tussen de voorspellingen van Einstein en Newton.,

in onze eigen omgeving is de zwaartekracht van de zon veel te zwak om een meetbaar effect te produceren. Wat je zou willen is een systeem dat grote zwaartekrachtvelden had op kleine afstanden van een enorme bron, waar de snelheid van het bewegende object zowel snel is als snel verandert (versnelt), in een zwaartekrachtveld met een grote gradiënt.

onze zon geeft ons dat niet, maar de omgeving rond een binair zwart gat of een binair neutronenster wel!, Idealiter zal een systeem met een massief object dat met een veranderende snelheid door een veranderend gravitatieveld beweegt dit effect laten zien. En een binair neutronenstersysteem, waar een van de neutronensterren een zeer precieze pulsar is, past precies bij de snavel.

een pulsar, en in het bijzonder een milliseconde pulsar, is de beste natuurlijke klok in het universum., Als de neutronenster draait, zendt hij een straal elektromagnetische straling uit die een kans heeft om eens in de 360 graden draaiing met het perspectief van de aarde te worden uitgelijnd. Als de uitlijning goed is, zien we deze pulsen aankomen met buitengewoon voorspelbare nauwkeurigheid en precisie.

als de pulsar zich echter in een binair systeem bevindt, zal bewegen door dat veranderende zwaartekrachtveld de emissie van zwaartekrachtgolven veroorzaken, die energie van het zwaartekrachtsysteem wegdragen. Het verlies van die energie moet ergens vandaan komen, en wordt gecompenseerd door het verval van de banen van de pulsar., De voorspellingen van pulsarverval zijn zeer gevoelig voor de snelheid van de zwaartekracht; zelfs met behulp van het allereerste binaire pulsarsysteem ooit ontdekt door zichzelf, PSR 1913 + 16 (of de Hulse-Taylor binaire), stelde ons in staat om de snelheid van de zwaartekracht gelijk aan de snelheid van het licht te beperken tot slechts 0,2%!

sindsdien hebben andere metingen ook de equivalentie aangetoond tussen de lichtsnelheid en de zwaartekracht., In 2002 zorgde toeval ervoor dat de aarde, Jupiter en een zeer sterke radio quasar (bekend als QSO J0842+1835) allemaal uitgelijnd waren. Toen Jupiter tussen de aarde en de quasar doorging, zorgde de zwaartekracht ervoor dat het sterrenlicht krom werd op een manier die afhankelijk was van de snelheid van de zwaartekracht.,Jupiter heeft in feite het licht van de quasar gebogen, waardoor we een oneindige snelheid voor de zwaartekracht konden uitsluiten en konden bepalen dat deze tussen de 255 miljoen en 381 miljoen meter per seconde lag, in overeenstemming met de exacte waarde voor de lichtsnelheid (299.792.458 m/s) en ook met Einsteins voorspellingen. Nog recenter brachten de eerste waarnemingen van gravitatiegolven ons nog strengere beperkingen.

vanaf de allereerste gravitatiegolf gedetecteerd en het verschil in hun aankomsttijden in Hanford, WA en Livingston, LA, leerden we direct dat de snelheid van de zwaartekracht gelijk was aan de snelheid van het licht tot binnen ongeveer 70%, wat geen verbetering is ten opzichte van de pulsar timing beperkingen. Maar toen 2017 de komst zag van zowel gravitatiegolven als licht van een neutronenster-neutronenster-fusie, kwam het feit dat gammastraalsignalen slechts 1 kwamen.,7 seconden na het signaal van de gravitatiegolf, over een reis van meer dan 100 miljoen lichtjaar, leerde ons dat de snelheid van het licht en de snelheid van de zwaartekracht niet meer dan 1 deel van een biljard verschillen: 1015.

zolang gravitatiegolven en fotonen geen rustmassa hebben, bepalen de wetten van de fysica dat ze met precies dezelfde snelheid moeten bewegen: de lichtsnelheid, die gelijk moet zijn aan de zwaartekracht., Zelfs voordat de beperkingen dit spectaculair kregen, leidt de eis dat een gravitatietheorie Newtoniaanse banen reproduceert terwijl ze tegelijkertijd relativistisch invariant zijn tot deze onvermijdelijke conclusie. De snelheid van de zwaartekracht is precies de snelheid van het licht, en de fysica zou het niet anders hebben toegestaan.