АстрофизикаНовости

Теория общей теории относительности еще раз подтверждена наблюдением пары пульсаров

В течение 16 лет международная группа исследователей проводила эксперимент, чтобы еще раз бросить вызов общей теории относительности Эйнштейна. Исследуя пару экстремальных звезд через семь радиотелескопов по всему миру, они впервые наблюдали новые релятивистские эффекты. После серии чрезвычайно строгих тестов они подтвердили, что поведение этих пульсаров согласуется с предсказаниями Эйнштейна.

Теория общей относительности описывает влияние присутствия материи - и в более общем случае энергии — на движение звезд, принимая во внимание принципы специальной относительности; в частности, она утверждает, что гравитация — это не сила, а проявление кривизны пространства-времени. "Если у нас есть что-то очень массивное, оно искажает пространство-время вокруг себя в большей степени, чем что-то менее массивное", — объясняет доктор Роберт Фердман из Школы физики Университета Восточной Англии.

Эта теория может объяснить многие явления, но она не совместима с другими фундаментальными силами, описываемыми квантовой механикой. "Более 100 лет спустя ученые всего мира все еще пытаются найти недостатки в этой теории", — говорит Фердман. Но до сих пор ни одно экспериментальное испытание не смогло опровергнуть теорию. И наблюдаемая пара пульсаров, названная PSR J0737-3039A/B, еще раз подтверждает предсказания.

Для ученых важно продолжать подвергать общую теорию относительности самым строгим испытаниям, чтобы выяснить, при каких обстоятельствах теория относительности разрушается. "Обнаружение отклонения от общей теории относительности стало бы крупным открытием, которое открыло бы окно в новую физику за пределами нашего нынешнего теоретического понимания Вселенной", — объясняет Фердман. Конечная цель — однажды открыть "теорию всего", которая последовательно описывает все фундаментальные силы природы. Поэтому группа исследователей попыталась еще раз проверить знаменитую теорию на практике, используя два пульсара.

Пульсары — это нейтронные звезды, которые вращаются очень быстро — очень маленькие и плотные звезды, до 20 километров в диаметре, с массой, эквивалентной примерно 2,4 массы Солнца. Эти объекты испускают интенсивное электромагнитное излучение от своих магнитных полюсов; они производят периодический сигнал длительностью от миллисекунд до десятков секунд. Поскольку эти "вспышки" происходят с невероятной точностью, они широко используются астрономами, в частности, для исследования межзвездной среды и изучения гравитации.

Открытый в 2003 году пульсар PSR J0737-3039A/B, расположенный на расстоянии около 2400 световых лет, является единственным двойным пульсаром, обнаруженным на сегодняшний день. Оба находятся очень близко друг к другу и обращаются по орбите всего за 147 минут со скоростью около миллиона км/ч. Один из них вращается очень быстро, со скоростью около 44 раз в секунду; его более молодой спутник медленнее, с периодом вращения 2,8 секунды.

Поскольку эти объекты чрезвычайно плотные, их гравитационные поля очень сильны, поэтому каждый из них может существенно влиять на время и угол импульсов своего соседа. Для экспертов это невероятная возможность для исследования, "беспрецедентная лаборатория для проверки теорий гравитации в присутствии очень сильных гравитационных полей", — говорит Михаэль Крамер, астроном и астрофизик из Института радиоастрономии имени Макса Планка в Германии и руководитель этого исследования.

Пройдено семь "тестов" общей теории относительности

Для отслеживания двойного пульсара использовались семь чувствительных радиотелескопов, расположенных в Австралии, Франции, Германии, Нидерландах, Великобритании и США. Эти наблюдения не только соответствовали теории относительности, но команда также смогла увидеть релятивистские эффекты, которые никогда ранее не изучались. Общая теория относительности предсказывает, что свет сильно искривляется, когда фотоны следуют по искаженной траектории пространства-времени. Она также предсказывает, что когда нейтронные звезды ускоряются, они испускают гравитационные волны, которые укорачивают их орбиты — так называемый "орбитальный распад". Оба эти теоретические предсказания теперь подтвердились.

Команда обнаружила, что радиоимпульсы постоянно приходят позже, чем ожидалось, и рассчитала, что это происходит потому, что они отклоняются на угол 0,04° из-за сильного искривления пространства-времени вокруг двух звезд. "Никогда ранее подобный эксперимент не проводился при такой кривизне пространства-времени", — говорит Ингрид Стэрс, астрофизик из Университета Британской Колумбии в Ванкувере.

Кумулятивный орбитальный сдвиг времени перистрона для двойного пульсара. Полученные данные сравниваются с двумя теориями гравитации: теорией относительности Эйнштейна, которая предсказывает излучение гравитационных волн, и теорией Ньютона. Наблюдения Крамера и его коллег показывают исключительное соответствие с теорией Эйнштейна.

Исследователи также обнаружили, что пульсары подвергаются орбитальному распаду из-за излучения гравитационных волн. "Мы смогли проверить краеугольный камень теории Эйнштейна — энергию, переносимую гравитационными волнами, с точностью в 25 раз лучше, чем с помощью пульсара Халса-Тейлора, удостоенного Нобелевской премии, и в 1000 раз лучше, чем это возможно в настоящее время с помощью детекторов гравитационных волн", — отмечает Крамер.

В общей сложности исследователи смогли провести семь тестов общей теории относительности, в том числе проверить, как меняется ориентация орбиты двойного пульсара (апсидальная прецессия) и как пульсары "тащат за собой пространство-время" при вращении — явление, известное как эффект Лензе-Тирринга. "Помимо гравитационных волн и распространения света, наша точность также позволяет измерить эффект "замедления времени", который замедляет ход часов в гравитационных полях", — добавляет Дик Манчестер, астрофизик из Австралийского научного агентства (CSIRO).

"Это самая строгая на сегодняшний день проверка теории Эйнштейна, и она устанавливает планку, на которой должны [работать] будущие эксперименты с точки зрения точности, чтобы проверить общую относительность с какой-либо значимостью", — резюмирует Фердман. В ближайшие годы, по мере появления более мощных телескопов, гравитационные тесты, несомненно, станут еще более точными, и, возможно, ученые в конце концов найдут изъян в теории относительности.

Подписывайтесь на нас
Back to top button