Пространственно-временные искажения исследованы с беспрецедентной детализацией

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.

Читать также:  Связь между яркими линиями на Меркурии и испарением летучих веществ установлена учеными

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.

Читать также:  Толстый лед осложнит поиск жизни на спутнике Европа

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.

Читать также:  Наблюдения гравитационных волн подтвердили: черные дыры сливаются в областях высокой плотности

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.