Исследователи получили подтверждение одного из самых причудливых следствий Общей теории относительности: вращение нашей планеты оказывает влияние на структуру пространства-времени. Новые данные, полученные с помощью спутника LARES-2, превзошли предыдущие измерения примерно в десять раз по точности и дополнительно сузили диапазон возможных альтернативных объяснений гравитации.

Еще более столетия назад Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что гравитация не является силой как таковой, а представляет собой деформацию пространства-времени под воздействием массивных тел. Из этой теории вытекает и менее очевидный феномен, который называют эффектом увлечения инерциальных систем отсчета, эффект Лензе — Тирринга. В соответствии с этим явлением, вращающееся тело не просто искажает пространство-время, но также слегка «скручивает» его вокруг своей оси. Для Земли этот эффект крайне незначителен, поэтому для его экспериментальной проверки необходимы измерения орбит спутников высочайшей точности.

Решение этой сложной задачи было найдено международной командой ученых под руководством Игнацио Чуфолини из Университета Цинхуа (Китай). Ключевым элементом исследования стал спутник LARES-2, который был выведен на орбиту Итальянским космическим агентством в 2022 году. Наземные комплексы направляют к аппарату лазерные сигналы и фиксируют время их возвращения с точностью до миллиметра. Это обеспечивает возможность чрезвычайно точного определения положения спутника.

Однако, одного лишь высокого качества измерений оказывается недостаточно. На траекторию движения искусственного спутника воздействует целый ряд факторов: неравномерности в распределении массы Земли, давление солнечного света и гравитационные искажения, возникающие под действием Луны и Солнца. Для выделения релятивистского сигнала ученые объединили данные, полученные с LARES-2, с наблюдениями за более ранним спутником LAGEOS и аппаратами миссии GRACE, которые используются для создания карт гравитационного поля Земли. При этом орбита LARES-2 была спроектирована таким образом, чтобы в максимальной степени нивелировать влияние основных источников ошибок при совместном анализе с данными от LAGEOS.

После обработки данных за три года наблюдений ученым удалось определить смещение инерциальных систем координат с относительной погрешностью порядка одной тысячной. Этот результат примерно на десять порядков точнее предыдущих измерений этого эффекта в Солнечной системе. Полученное значение находится в согласии с предсказаниями общей теории относительности, учитывая экспериментальную неопределенность. Следовательно, любые альтернативные гравитационные модели должны описывать этот эффект практически так же хорошо, как и теория Эйнштейна.

Результаты научной работы, опубликованные в журнале Nature, обладают не только фундаментальным научным значением. Анализ орбит спутников позволил также уточнить параметры приливов, вызванных Луной и Солнцем, а также характеристики гравитационного поля Земли. Эти данные находят применение в геодезии, системах спутниковой навигации и исследованиях динамики планеты.

Интересно отметить, что LARES-2 был изначально разработан как инструмент для наиболее точной проверки эффекта Лензе — Тирринга, являющегося одним из ключевых предсказаний общей теории относительности. Более чем через столетие теория Эйнштейна продолжает успешно выдерживать самые строгие экспериментальные испытания, при этом область существования новых моделей гравитации постоянно сужается.