Теория относительности Эйнштейна подтвердилась: астрономы стали свидетелями затягивания пространства-времени

Международная команда астрофизиков во главе с австралийским профессором Мэтью Бейлсом из Австралийского исследовательского совета Centre of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav) показала захватывающие новые доказательства для эффекта "перетаскивания кадров" - вращение небесного тела закручивает пространство и время — после отслеживания орбиты экзотической звездной пары в течение почти двух десятилетий. Эти данные, которые являются еще одним доказательством общей теории относительности Эйнштейна, опубликованы 31 января 2020 года на страницах журнала Science.

Более века назад Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую теорию общей теории относительности — о том, что сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени и что объекты, такие как Солнце и Земля, изменяют эту геометрию. Прогресс в приборостроении привел к потоку недавних научных открытий из более отдаленных областей, связанных с общей теорией относительности. Открытие гравитационных волн было объявлено в 2016 году; первое изображение тени черной дыры и звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики, было опубликовано только в прошлом году.

Почти двадцать лет назад команда под руководством профессора Суинбернского технологического университета Бейлса — директора Центра передового опыта Arc в области обнаружения гравитационных волн (OzGrav) — начала наблюдать две звезды, вращающиеся вокруг друг друга с удивительной скоростью с помощью 64-метрового радиотелескопа CSIRO Parkes. Один из них - белый карлик, размером с Землю, но в 300 000 раз больше ее плотности; другой - нейтронная звезда, которая, хотя и имеет всего 20 километров в диаметре, примерно в 100 миллиардов раз больше плотности Земли. Система, которая была обнаружена, является релятивистско-удивительной системой, которая называется "PSR J1141-6545".

Прежде чем звезда взорвалась (став нейтронной звездой), миллион или около того лет назад, она начала разбухать, отбрасывая свое внешнее ядро, которое упало на белый карлик поблизости. Этот падающий мусор заставлял белый карлик вращаться все быстрее и быстрее, пока его день не стал измеряться всего лишь минутами.

В 1918 году (через три года после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию) австрийские математики Йозеф Ленсе и Ганс Тирринг поняли, что если Эйнштейн был прав, то все вращающиеся тела должны были бы "тянуть" за собой саму ткань пространства-времени. В повседневной жизни этот эффект незначителен и почти незаметен. Ранее в этом столетии первые экспериментальные доказательства этого эффекта были замечены в гироскопах, вращающихся вокруг Земли, ориентация которых была вытянута в направлении вращения Земли. Быстро вращающийся белый карлик, как и в PSR J1141-6545, тянет пространство-время в 100 миллионов раз сильнее!

Пульсар на орбите вокруг такого белого карлика дает уникальную возможность исследовать теорию Эйнштейна в новом ультрарелятивистском режиме.

Ведущему автору настоящего исследования, доктору Вивеку Венкатраману Кришнану (из Института радиоастрономии Макса Планка  -MPIfR) была поставлена незавидная задача распутывания всех конкурирующих релятивистских эффектов, играющих в системе, в рамках его кандидатской диссертации в Технологическом университете Суинберна. Он заметил, что, если бы он не допускал постепенного изменения ориентации плоскости орбиты, общая теория относительности не имела бы смысла.

Доктор Пауло Фриере из MPIfR понял, что перетаскивание всей орбиты может объяснить их наклонную орбиту, и команда представила убедительные доказательства в поддержку этого в опубликованной статье - это показывает, что общая теория относительности жива и здорова, демонстрируя еще один из своих многочисленных прогнозов.

Комментарий экспертов:

Ведущий автор Вивек Венкатраман Кришнан, институт радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR): "Сначала оказалось, что звездная пара демонстрирует многие из классических эффектов, которые предсказывала теория Эйнштейна. Затем мы заметили постепенное изменение ориентации плоскости орбиты. Пульсары - это космические часы. Их высокая вращательная стабильность означает, что любые отклонения от ожидаемого времени прихода его импульсов, вероятно, вызваны движением пульсара или из-за электронов и магнитных полей, с которыми сталкиваются импульсы."Пульсарная синхронизация - это мощный метод, в котором мы используем атомные часы на радиотелескопах для оценки времени прихода импульсов от пульсара до очень высокой точности. Движение пульсара по своей орбите модулирует время прибытия, тем самым позволяя его измерение.”

Д-р Пауло Фрейре поясняет: “Мы постулировали, что это может быть, по крайней мере частично, из-за так называемого” перетаскивания рамы", которому подвергается вся материя в присутствии вращающегося тела, как это предсказывали австрийские математики Ленс и Тирринг в 1918 году.”

Профессор Томас Таврис, Орхусский университет: "В звездной паре первая коллапсирующая звезда часто быстро вращается из-за последующего массопереноса от ее спутника. Моделирование помогло количественно оценить величину спина белого карлика. В этой системе вся орбита протаскивается спином белого карлика, который не выровнен с орбитой.”

Доктор Норберт Векс, институт радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR): "Одним из первых подтверждений перетаскивания кадров были четыре гироскопа на спутнике, находящемся на орбите вокруг Земли, но в нашей системе эффекты в 100 миллионов раз сильнее.”

Эван Кин (СКА): "Пульсары - это суперчасы в космосе. Суперчасы в сильных гравитационных полях - это лаборатории мечты Эйнштейна. Мы изучали один из самых необычных из них в этой двойной звездной системе. Рассматривая периодические импульсы света от пульсара как тиканье часов, мы можем увидеть и распутать многие гравитационные эффекты, поскольку они изменяют орбитальную конфигурацию и время прихода импульсов тактового сигнала. В этом случае мы впервые увидели линзовидную прецессию, предсказанную общей теорией относительности, в любой звездной системе.”

Виллем ван Стратен (AUT): "Исключив ряд потенциальных экспериментальных ошибок, мы начали подозревать, что взаимодействие между белым карликом и нейтронной звездой было не таким простым, как предполагалось до сих пор.”