Новые измерения подтвердили общую теорию относительности Эйнштейна
Общая теория относительности Эйнштейна — идея о том, что гравитация — это материя, искажающая пространство-время, — выдержала более 100 лет тщательного изучения и тестирования, включая новейшие испытания, проведенные коллаборацией Event Horizon Telescope, опубликованные в последнем выпуске Physical Review Letters.
Несмотря на свои успехи, надежная теория Эйнштейна остается математически несовместимой с квантовой механикой, научным пониманием субатомного мира.
Проверка общей теории относительности важна, поскольку окончательная теория Вселенной должна охватывать как гравитацию, так и квантовую механику.
«Мы ожидаем, что полная теория гравитации будет отличаться от общей теории относительности, но есть много способов изменить ее. Мы обнаружили, что какой бы ни была правильная теория, она не может существенно отличаться от общей теории относительности, когда дело касается черных дыр. Мы действительно сжали пространство возможных модификаций», — сказал профессор астрофизики UArizona Димитриос Псалтис, который до недавнего времени был научным сотрудником коллаборации Event Horizon Telescope. Он — ведущий автор новой статьи, в которой подробно описываются открытия исследователей.
«Это совершенно новый способ проверить общую теорию относительности с использованием сверхмассивных черных дыр», — сказал Кейичи Асада, член научного совета EHT и эксперт по радионаблюдениям за черными дырами Института астрономии и астрофизики Academia Sinica.
Для проведения теста команда использовала первое когда-либо сделанное изображение сверхмассивной черной дыры в центре соседней галактики M87, полученное с помощью EHT в прошлом году.
Первые результаты показали, что размер тени от черной дыры соответствует размеру, предсказанному общей теорией относительности.
«В то время мы не могли задать противоположный вопрос: насколько теория гравитации может отличаться от общей теории относительности и при этом соответствовать размеру тени?», — сказал Пьер Кристиан, научный сотрудник UArizona Steward Theory.
«Мы задались вопросом, можно ли что-нибудь сделать с этими наблюдениями, чтобы отбраковать некоторые из альтернатив».
Ученые провели очень широкий анализ многих модификаций общей теории относительности, чтобы определить уникальную характеристику теории гравитации, которая определяет размер тени черной дыры.
«Таким образом, мы можем теперь точно определить, согласуется ли какая-либо альтернатива общей теории относительности с наблюдениями телескопа Event Horizon, не беспокоясь о каких-либо других деталях», — говорят исследователи.
Они сосредоточилась на ряде альтернатив, которые прошли все предыдущие испытания в Солнечной системе.
«Используя разработанный нами метод, мы показали, что измеренный размер тени черной дыры в M87 сужает пространство для маневра для модификаций общей теории относительности Эйнштейна почти в 500 раз по сравнению с предыдущими испытаниями в Солнечной системе», — говорят исследователи.
«Многие способы изменить общую теорию относительности терпят неудачу в этом новом и более жестком тесте на тень от черной дыры. Изображения черных дыр открывают совершенно новый взгляд для проверки общей теории относительности Эйнштейна».
«Вместе с наблюдениями за гравитационными волнами это знаменует начало новой эры в астрофизике черных дыр».
Проверка теории гравитации — это постоянный поиск: достаточно ли хороши предсказания общей теории относительности для различных астрофизических объектов, чтобы астрофизики не беспокоились о любых возможных различиях или модификациях общей теории относительности?
«Мы всегда говорим, что общая теория относительности блестяще выдержала все испытания», — говорят исследователи. «Но это правда, когда вы проводите определенные тесты, вы не видите, что результаты отклоняются от того, что предсказывает общая теория относительности. Мы говорим, что, хотя все это верно, впервые у нас есть другой критерий с помощью которого мы можем провести тест, который в 500 раз лучше, и этот показатель равен размеру тени черной дыры «.
Затем команда ученых EHT ожидает, что изображения с более высокой точностью будут получены с помощью расширенного набора телескопов, который включает в себя Гренландский телескоп, 12-метровый телескоп на Китт-Пик и Северную обсерваторию во Франции.
«Когда мы получим изображение черной дыры в центре нашей собственной галактики, мы сможем еще больше ограничить отклонения от общей теории относительности».
Dimitrios Psaltis et al. Gravitational Test beyond the First Post-Newtonian Order with the Shadow of the M87 Black Hole, Physical Review Letters (2020). dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.141104