Эффект общей теории относительности Эйнштейна наблюдался в двойной звездной системе

Эффект общей теории относительности Эйнштейна, называемый «гравитационное красное смещение», проявляется тогда, когда свет смещается в более красные цвета из-за силы тяжести.

Используя рентгеновскую обсерваторию НАСА — Chandra, астрономы обнаружили это явление в двух звездах, вращающихся вокруг друг друга в нашей галактике на расстоянии около 29 000 световых лет (320 000 триллионов километров) от Земли.

И хотя эти звезды очень далеки, гравитационное красное смещение оказывает ощутимое влияние на современную жизнь, поскольку ученые и инженеры должны принимать его во внимание, чтобы обеспечить точное положение для GPS.

Несмотря на то, ученые обнаружили неопровержимые доказательства гравитационных красных смещений в нашей Солнечной системе, было сложно наблюдать их в более далеких объектах в космосе. Новые результаты Чандры убедительно свидетельствуют о действии эффектов гравитационного красного смещения в далеком космосе.

Двойная система, известная как 4U 1916-053, содержит две звезды на удивительно близкой орбите.

Одна из них — это ядро ​​звезды, внешние слои которого удалены, в результате чего остается звезда, которая намного плотнее Солнца. Другая — нейтронная звезда, еще более плотный объект, созданный, когда массивная звезда коллапсирует в результате взрыва сверхновой. Нейтронная звезда (серая) показана на рисунке художника в центре диска горячего газа, оторвавшегося от своего компаньона (белая звезда слева).

Эти две компактные звезды находятся всего в 340 000 км друг от друга, что примерно равно расстоянию между Землей и Луной. Пока Луна обращается вокруг нашей планеты один раз в месяц, плотная звезда-компаньон в 4U 1916-053 очень быстро вращается вокруг нейтронной звезды и совершает полный оборот всего за 50 минут.

В новой работе над 4U 1916-053 команда ученых проанализировала спектры рентгеновских лучей, то есть количество рентгеновских лучей на разных длинах волн, от Чандры. Они обнаружили в спектрах характерный признак поглощения рентгеновского света железом и кремнием.

В трех отдельных наблюдениях с Чандрой данные показывают резкое падение обнаруженного количества рентгеновских лучей, близких к длинам волн, на которых атомы железа или кремния, как ожидается, будут поглощать рентгеновские лучи. Один из спектров поглощения железом — провалы слева и справа — включен в основной график. На дополнительном графике показан спектр поглощения кремнием. В обоих спектрах данные показаны серым цветом, а компьютерная модель — красным.

Однако длины волн этих характерных признаков железа и кремния были сдвинуты в сторону более длинных или более красных длин волн по сравнению с лабораторными значениями, найденными здесь, на Земле (показаны синей вертикальной линией для каждого признака поглощения). Исследователи обнаружили, что сдвиг характеристик поглощения был одинаковым в каждом из трех наблюдений Чандры, и что он был слишком большим, чтобы его можно было объяснить движением от нас. Вместо этого они пришли к выводу, что это было вызвано гравитационным красным смещением.

Как это связано с общей теорией относительности и GPS? Согласно теории Эйнштейна, часы под действием силы тяжести идут медленнее, чем часы, наблюдаемые из отдаленной области, испытывающей более слабую гравитацию. Это означает, что часы на Земле, наблюдаемые с орбитальных спутников, идут медленнее. Для обеспечения высокой точности, необходимой для GPS, этот эффект необходимо учитывать, иначе будут небольшие различия во времени, которые быстро накапливаются, вычисляя неточные позиции.

На все виды света, включая рентгеновские лучи, также влияет сила тяжести. Можно провести аналогию с человеком, который поднимается по спускающемуся эскалатору. При этом человек теряет больше энергии, чем если бы эскалатор был неподвижен или поднимался вверх. Сила тяжести оказывает аналогичное влияние на свет, когда потеря энергии дает более низкую частоту. Поскольку свет в вакууме всегда распространяется с одинаковой скоростью, потеря энергии и более низкая частота означают, что свет, включая признаки железа и кремния, смещается в сторону более длинных волн.

Это первое убедительное свидетельство того, что сигнатуры поглощения смещаются в сторону более длинных волн под действием гравитации в паре звезд, у которых есть либо нейтронная звезда, либо черная дыра. Серьезные доказательства гравитационных красных смещений поглощения ранее наблюдались с поверхности белых карликов, при этом сдвиги длин волн обычно составляют лишь около 15% от таковых для 4U 1916-053.

Ученые говорят, что, вероятно, газовая атмосфера, покрывающая диск рядом с нейтронной звездой (показана синим цветом), поглощала рентгеновские лучи, давая такие результаты. (Эта атмосфера не связана с выпуклостью красного газа во внешней части диска, которая блокирует свет от внутренней части диска один раз за орбиту.) Размер сдвига в спектрах позволил вычислить, насколько далеко эта атмосфера находится вдали от нейтронной звезды, используя общую теорию относительности и принимая стандартную массу нейтронной звезды. Они обнаружили, что атмосфера расположена в 2400 км от нейтронной звезды, что эквивалентно только 0,7% расстояния от нейтронной звезды до спутника. Вероятно, она простирается на несколько сотен километров от нейтронной звезды.

В двух из трех спектров также есть свидетельства того, что сигнатуры поглощения были смещены в сторону еще более красных длин волн, что соответствует расстоянию всего 0,04% от расстояния от нейтронной звезды до спутника. Однако эти сигнатуры обнаруживаются с меньшей уверенностью, чем сигнатуры, расположенные дальше от нейтронной звезды.

Ученым будет предоставлено дополнительное время для наблюдений с использованием обсерватории Chandra в следующем году, чтобы изучить эту систему более подробно.

Nicolas Trueba et al. A Redshifted Inner Disk Atmosphere and Transient Absorbers in the Ultracompact Neutron Star X-Ray Binary 4U 1916–053, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/2041-8213/aba9de , arxiv.org/abs/2008.01083