Теория относительности Эйнштейна проверена в 16-летнем эксперименте на пульсарах
Исследователи из Университета Восточной Англии и Университета Манчестера помогли провести 16-летний эксперимент, чтобы бросить вызов общей теории относительности Эйнштейна. Ученые смотрели на пульсары, — через семь радиотелескопов по всему земному шару. И они использовали их, чтобы бросить вызов самой известной теории Эйнштейна с помощью некоторых из самых строгих тестов.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, обнаруживает новые релятивистские эффекты, которые, хотя и ожидались, наблюдаются впервые.
Доктор Роберт Фердман из Физической школы UEA сказал: «Каким бы впечатляющим успехом ни оказалась общая теория относительности Эйнштейна, мы знаем, что это не последнее слово в теории гравитации. Спустя более 100 лет ученые всего мира продолжают попытки найти недостатки в его теории».
Общая теория относительности несовместима с другими фундаментальными силами, описываемыми квантовой механикой. Поэтому важно продолжать проводить самые строгие проверки общей теории относительности, чтобы выяснить, как и когда теория терпит крах.
Обнаружение любого отклонения от общей теории относительности стало бы крупным прорывом, который откроет окно в новую физику, выходящую за рамки нашего нынешнего теоретического понимания Вселенной. И это может помочь нам в конечном итоге открыть единую теорию фундаментальных сил природы.
Международная группа исследователей из десяти стран под руководством Майкла Крамера из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, Германия, подвергла теорию Эйнштейна самой строгой проверке.
Пульсар — это сильно намагниченная вращающаяся компактная звезда, которая испускает пучки электромагнитного излучения из своих магнитных полюсов.
«Они весят больше, чем наше Солнце, но их диаметр составляет всего около 20 км, поэтому они представляют собой невероятно плотные объекты, которые излучают радиолучи, которые охватывают небо, как маяк» — говорят исследователи.
«Мы изучили двойной пульсар, который был обнаружен в 2003 году и представляет собой самую точную лабораторию, которая у нас есть на данный момент для проверки теории Эйнштейна. Конечно, его теория возникла тогда, когда невозможно было вообразить ни эти типы экстремальных звезд, ни методы, используемые для их изучения».
Двойной пульсар состоит из двух пульсаров, которые вращаются вокруг друг друга всего за 147 минут со скоростью около 1 миллиона км / ч. Один пульсар вращается очень быстро, примерно 44 раза в секунду. Его спутник моложе и имеет период вращения 2,8 секунды. Их движение друг вокруг друга можно использовать как лабораторию почти идеальной гравитации.
Для наблюдения этого двойного пульсара использовались семь чувствительных радиотелескопов — в Австралии, США, Франции, Германии, Нидерландах и Великобритании.
«Мы изучили систему компактных звезд, которая является непревзойденной лабораторией для проверки теории гравитации в присутствии очень сильных гравитационных полей» — говорят ученые.
«К нашему удовольствию, мы смогли проверить краеугольный камень теории Эйнштейна, энергию, переносимую гравитационными волнами, с точностью, которая в 25 раз лучше, чем у получившего Нобелевскую премию пульсара Халса-Тейлора, и в 1000 раз лучше, чем это возможно в настоящее время, с помощью детекторов гравитационных волн».
Исследователи объяснили, что наблюдения не только согласуются с теорией, «но мы также смогли увидеть эффекты, которые ранее не могли быть изучены».
«Мы впервые видим, как свет задерживается не только из-за сильной кривизны пространства-времени вокруг спутника, но также и то, что свет отклоняется на небольшой угол в 0,04 градуса, который мы можем обнаружить. Никогда раньше такой эксперимент не проводился при такой большой кривизне пространства-времени».
Профессор Дик Манчестер из австралийского национального научного агентства CSIRO сказал: «Такое быстрое орбитальное движение таких компактных объектов — они примерно на 30 процентов массивнее Солнца, но всего около 24 км в поперечнике — позволяет нам проверить множество различных предсказаний общего относительность — всего семь!»
«Помимо гравитационных волн и распространения света, наша точность позволяет нам также измерить эффект «замедления времени», который заставляет часы работать медленнее в гравитационных полях. Нам даже нужно принять во внимание знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 при рассмотрении влияния электромагнитного излучения, испускаемого быстро вращающимся пульсаром, на орбитальное движение».
Оказалось, что это излучение соответствует потере массы 8 миллионов тонн в секунду! Хотя это кажется большим, это лишь крошечная доля — 3 части на тысячу миллиардов миллиардов (!) — массы пульсара в секунду.
Исследователи также измерили с точностью до 1 части на миллион (!), что орбита меняет свою ориентацию — релятивистский эффект, также хорошо известный по орбите Меркурия, но здесь он в 140 000 раз сильнее.
Ученые поняли, что на этом уровне точности им также необходимо учитывать влияние вращения пульсара на окружающее пространство-время, которое «увлекается» вращающимся пульсаром.
«Физики называют это эффектом Лензе-Тирринга или перетаскиванием кадра. В нашем эксперименте это означает, что нам нужно рассматривать внутреннюю структуру пульсара как нейтронную звезду» — говорят ученые.
«Таким образом, наши измерения позволяют нам впервые использовать прецизионное отслеживание вращения нейтронной звезды, метод, который мы называем синхронизацией пульсара, чтобы обеспечить ограничения на расширение нейтронной звезды».
Методика измерения времени пульсаров была объединена с тщательными интерферометрическими измерениями системы для определения расстояния до нее с помощью изображений с высоким разрешением, что дало значение в 2400 световых лет с погрешностью всего 8 процентов.
Такое сочетание различных дополнительных методов наблюдения, добавляют ценности эксперименту. В прошлом подобные исследования часто затруднялись из-за ограниченного знания о расстоянии до таких систем.
Результаты хорошо дополняют другие экспериментальные исследования, такие как детекторы гравитационных волн или телескоп Event Horizon, которые проверяют гравитацию в других условиях или видят другие эффекты.
«Мы достигли беспрецедентного уровня точности. Будущие эксперименты с еще более крупными телескопами могут пойти еще дальше» — делают вывод исследователи.
«Наша работа показала, как нужно проводить такие эксперименты и какие тонкие эффекты теперь необходимо учитывать. И, может быть, однажды мы обнаружим отклонение от общей теории относительности».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X.