Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

в том, что два тела, упавшие в гравитационное поле третьего, независимо от своего состава испытывают одно и то же ускорение. Впервые это продемонстрировал Галилей. Как известно, он бросал объекты разной массы с вершины Пизанской башни, чтобы убедиться, что они оба достигают Земли одновременно.

Новое исследование показало, что этот постулат справедлив даже для сильно самогравитирующихся объектов, таких как нейтронные звёзды. Измерения были записаны совместной группой из Университета Манчестера, парижской обсерватории и Института радиоастрономии Макса Планка.

Специалисты изучили данные о трио, состоящем из двух белых карликов и пульсара. В этом трио пульсар и первый белый карлик вращаются друг вокруг друга (на расстоянии в 10 раз ближе чем Меркурий к Солнцу) и в то же время – вокруг второго белого карлика. Последний расположен на расстоянии немного дальше, чем Солнце от системы Земля – Луна.

Авторская визуализация пульсара и его ближайшего спутника – белого карлика с их орбитами и вторым спутником на заднем плане. Не в масштабе. © Guillaume Voisin CC BY-SA 4.0

Казалось бы, в подобной схеме нет ничего удивительного. Аналогично Земля с Луной вращаются вокруг Солнца. Но тут всё дело в массах объектов, и в частности пульсара «PSR J0337+1715». При диаметре всего 25 км он имеет массу в 1,44 раза больше массы Солнца. Предполагалось, что этот пульсар может больше гравитационно воздействовать на белого карлика, находящегося с ним в непосредственной близости и одной связке, чем второй белый карлик. При этом согласно данной гипотезе различалось бы воздействие и второго белого карлика на каждый из оставшихся компонентов.

Как были получены данные?

Пульсар испускает пучок радиоволн, который проносится сквозь пространство. При каждом повороте это создает вспышку радиоизлучения, которая с очень высокой точностью фиксируется радиотелескопом. Когда пульсар движется по своей орбите, время прихода света на Землю смещается, согласно определённому закону. Именно точные измерения и математическое моделирование этих пучков радиоизлучения, вплоть до наносекунды, позволили учёным делать выводы о движении звезды с исключительной точностью. В итоге был зафиксирован аналог эксперимента Галилея космических масштабов. Два тела разных состава и массы падают с одинаковым ускорением в гравитационном поле третьего.

Таким образом, универсальность свободного падения, описанная в ОТО, была подтверждена с уровнем достоверности 95 %. Она справедлива даже в присутствии объекта, масса которого в значительной степени обусловлена его собственным гравитационным полем. А это, в свою очередь, в очередной раз подтверждает и саму ОТО.

Одно из последних доказательств теории относительности

Во время наблюдений за уникальной двойной звездой PSR J1141-6545 в созвездии Мухи астрономы зафиксировали искажение ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося белого карлика. Они смогли наблюдать «качание» орбиты пульсара, вращающегося вокруг этого карлика, примерно на 150 км в стороны. Этот эффект, как вы уже поняли, объясняется теорией относительности как искривление ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося массивного объекта.

Уникальность системы PSR J1141-6545 заключается в том, что белый карлик вращается невероятно быстро. Благодаря рекордно малому расстоянию между компонентами пульсар движется по орбите соседа с огромной скоростью в 1 млн км/ч.

Всё это просто не могло не привести к проявлению релятивистских эффектов. Поэтому астрономы и начали свои наблюдения в поисках проявления одного конкретного эффекта Лензе – Тирринга, релятивистского аналога силы Кориолиса, но закручивающего само пространство.

Результаты исследования максимально точны (V. Venkatraman Krishnan, 2020). Так, специалисты измерили скорость импульсов от пульсара до Земли с точностью до 100 мс за 200 лет, используя радиотелескопы Parkes и Extreme в Австралии.

Чёрные линии показывают радиоконтуры, треугольник указывает на пульсар PSR J1833-0827. Небольшая вставка показывает функцию разброса точек инструмента с учётом сглаживания, применённого к изображению

По результатам этих замеров и был обнаружен дрейф осей вращения компонентов этой двойной системы. Исключив последовательно все возможные причины этого дрейфа, специалисты пришли к выводу, что он является результатом перетаскивания кадров. То есть быстро вращающийся массивный белый карлик тянет пространство-время, закручивая его в сторону своего вращения. В результате наклон орбиты пульсара медленно меняется из-за упомянутого выше эффекта Лензе – Тирринга.

Вы только представьте: пространство может искривляться под действием массы! Результаты этого исследования в очередной раз подтвердили теорию относительности. Помимо прочего, они помогут в изучении других пульсаров и белых карликов. Как знать, возможно это новый шажок на пути к освоению Вселенной.

Верна ли общая теория относительности Эйнштейна?

Если у вас ещё остались сомнения, значит, я, видимо, не очень доходчиво рассказал о доказательствах, подтверждающих её. Предлагаю закрепить эту тему перед тем, как перейти к гравитационным волнам.

ОТО по своей сути является геометрической теорией тяготения. В ней постулируется тот факт, что гравитация – не сила, как описывал Ньютон, а результат деформации самого́ пространства-времени. Основное отличие от других метрических теорий тяготения даёт уравнение Эйнштейна, описывающее связь кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей (нет, это не эфир).

На сегодня ОТО – самая успешная теория гравитации, многократно подтверждённая экспериментально. Перечислю основные подтверждения.

Принцип соответствия

Этот принцип гласит, что любая новая научная теория должна включать старую теорию (проверенную и подтверждённую) и её результаты как частный случай.

Так, следствия специальной теории относительности в рамках малых скоростей полностью соответствуют выводам классической механики.

Общая теория относительности, частным случаем которой является СТО, даёт те же результаты, что и классическая теория тяготения Ньютона при малых скоростях и малых значениях гравитационного потенциала.

Отклонение луча света в поле Солнца

Одним из косвенных экспериментов, подтверждающих ОТО, служит отклонение луча света в поле Солнца.

Суть эксперимента такова. Мы точно знаем, когда звезда должна скрываться за Солнцем. Фиксируем время, когда звезда покидает зону видимости, и извлекаем угол отклонения луча света от прямой.

Эти эксперименты проводятся регулярно во время полных солнечных затмений. С 1919 года данное явление многократно подтвердили, во-первых, астрономические наблюдения звёзд во время полных затмений Солнца. А во-вторых, радиоинтерферометрические наблюдениями квазаров, проходящих вблизи Солнца во время его пути по эклиптике. Дополненным подтверждением ОТО является тот факт, что даже из ньютоновской корпускулярной теории света вытекает отклонение луча в поле Солнца.

Запаздывание сигнала в поле Солнца

Для проведения эксперимента на Венеру и Меркурий во время их приближения к диску Солнца астрономы посылали сигналы (радиолокация), а затем регистрировали время их прихода обратно. Чем ближе к диску Солнца находились планеты, тем дольше шёл сигнал. Всё очень просто и безвариантно.

Гравитационное линзирование

С эффектом гравитационной линзы никто не спорит. Впервые он был описан именно в ОТО, а в 1979 году вокруг такой линзы наблюдались две туманности с абсолютно одинаковым