В течение шестнадцати лет международная группа ученых проводила эксперимент для проверки общей теории относительности Эйнштейна. Исследователи изучали пару экстремальных звезд через семь радиотелескопов по всему миру и впервые наблюдали новые релятивистские эффекты. После проведения серии строгих тестов подтвердили, что поведение пульсаров соответствует предсказаниям Эйнштейна.
Теория общей относительности показывает, как присутствие материи и энергии воздействует на движение звезд, учитывая принципы специальной относительности. В частности, она говорит, что гравитация — это не сила, а искривление пространства-времени. Чем больше масса объекта, тем сильнее представление о пространстве и времени искажается вокруг него. — говорит доктор Роберт Фердман из Школы физики Университета Восточной Англии.
Теория раскрывает множество явлений, однако не согласуется с остальными фундаментальными силами, представленными в квантовой механике. Через более чем сто лет учёные продолжают искать изъяны в этой теории. — говорит Фердман. Но до сих пор ни одно экспериментальное испытание не смогло опровергнуть теорию. Наблюдаемая пара пульсаров, названная PSR J0737-3039A/B, ещё раз подтверждает предсказания.
Учёным нужно постоянно испытывать Общую теорию относительности на прочность, чтобы понять, в каких условиях она перестает работать. Открытие противоречий общей теории относительности было бы важным событием, ведущим к новым открытиям в физике и расширению нашего представления о Вселенной. — Объясняет Фердман. Цель — в конце концов открыть «теорию всего», которая последовательно описывает все фундаментальные силы природы. Для этого группа исследователей решила вновь проверить известную теорию на практике, применив два пульсара.
Пульсары — нейтронные звезды, вращающиеся очень быстро. Размер этих маленьких и плотных звезд доходит до 20 километров в диаметре, а масса эквивалентна примерно двум с половиной массам Солнца. Объекты испускают интенсивное электромагнитное излучение с магнитных полюсов. Периодический сигнал длится от миллисекунд до десятков секунд. Благодаря невероятной точности вспышек пульсары широко используются астрономами для изучения межзвездной среды и гравитации.
Открытый в 2003 году пульсар PSR J0737-3039A/B, находящийся примерно в 2400 световых лет, является единственным двойным пульсаром, обнаруженным на данный момент. Два пульсара находятся очень близко и вращаются по орбите всего за 147 минут со скоростью около миллиона км/ч. Один из пульсаров вращается быстро, примерно 44 раза в секунду; его более молодой спутник медленнее, с периодом вращения 2,8 секунды.
Из-за высокой плотности эти объекты обладают сильными гравитационными полями, способными существенно влиять на время и угол импульсов соседей. Это представляет собой уникальную возможность для исследований — «беспрецедентную лабораторию для проверки теорий гравитации в условиях очень сильных гравитационных полей», — отмечает Михаэль Крамер, астроном и астрофизик из Института радиоастрономии имени Макса Планка в Германии, возглавляющий это исследование.
Общая теория относительности прошла семь испытаний.
Семь радиотелескопов, находящихся в Австралии, Франции, Германии, Нидерландах, Великобритании и США, применялись для отслеживания двойного пульсара. Наблюдения не только согласуются с теорией относительности, но команда также обнаружила релятивистские эффекты, ранее не изучавшиеся. Общая теория относительности предсказывает сильную деформацию света при следовании фотонов по искривлённой траектории пространства-времени. Теория также предсказывает, что ускоряющиеся нейтронные звёзды испускают гравитационные волны, сокращающие их орбиты — так называемый «орбитальный распад». Оба эти теоретических предсказания подтвердились.
Команда выяснила, что радиосигналы систематически поступают позже прогнозируемого времени и установила, что это обусловлено отклонением на 0,04 градуса вследствие мощного искажения пространства-времени вблизи двух звезд. Такой кривой пространственно-временной изгиб использовался впервые в экспериментальной работе. — рассказывает Ингрид Стэрс, астрофизик из университета Британской Колумбии в Ванкувере.
Учёные выяснили, что пульсары разрушаются в своих орбитах из-за излучения гравитационных волн. Точность измерений краеугольного камня теории Эйнштейна — энергии гравитационных волн — достигла уровня в 25 раз выше, чем у метода Халса-Тейлора (лауреата Нобелевской премии), и в 1000 раз лучше, чем возможно с современными детекторами. «, — отмечает Крамер.
В ходе исследований удалось выполнить семь проверок общей теории относительности, включая измерение изменения ориентации орбиты двойного пульсара (апсидальная прецессия) и наблюдение за тем, как пульсары по мере вращения искривляют пространство-время — эффект Лензе-Тирринга. Кроме гравитационных волн и распространения света, наша точность измеряет эффект «замедления времени», замедляющий ход часов в сильных гравитационных полях. — добавляет Дик Манчестер, астрофизик из Австралийского научного агентства.
«Это самое строгое из существующих испытаний теории Эйнштейна, которое определяет стандарт точности, необходимый будущим экспериментам для проверки общей теории относительности с существенным результатом. — резюмирует Фердман. В ближайшем будущем с развитием более мощных телескопов гравитационные испытания непременно станут точнее, и может быть, ученые в конечном итоге обнаружат неточность в теории относительности.