Найден первый экспериментальный способ проверить ОТО в «предельных» условиях

Фотография Крабовидной Туманности - единственного известного на данный момент источника поляризованного рентгеновского излучения среди астрономических объектов

X-ray: NASA/CXC/SAO/F.Seward; Optical: NASA/ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; Infrared: NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz

Ученый из США придумал эксперимент, с помощью которого можно будет подвергнуть проверке общую теорию относительности в так называемом «пределе сильного поля», то есть в случае сильных гравитационных полей. Эксперимент основан на гравитационном аналоге эффекта Фарадея — вращении плоскости поляризации света, вызванном кривизной пространства-времени вблизи массивных объектов. Работа опубликована в журнале Scientific Reports, кратко о ней сообщает сайт Университета Флориды.

Теории относительности Эйнштейна — как специальная (СТО), так и общая (ОТО) — уже имеют достаточно доказательств и приняты научным сообществом. Первым примером применения ОТО было объяснение отклонения орбиты Меркурия, в дальнейшем удалось наблюдать такие предсказанные явления как гравитационное красное смещение, эффект Шапиро (замедление времени), принцип эквивалентности сил гравитации и инерции, а также гравитационное линзирование. Но все эти доказательства относились к «пределу слабого поля», то есть к относительно слабым гравитационным полям. Эксперименты, которые бы позволили выяснить пределы применимости ОТО в случае сильных гравитационных полей, очень сложно было реализовать при существующем уровне развития технологий. Но теперь исследователю из университета Флориды удалось придумать такой эксперимент.

Эксперимент основан на гравитационном аналоге эффекта Фарадея. В классическом варианте эффекта Фарадея рассматривается вращение плоскости поляризации света (поляризация — явление направленного колебания векторов, отвечающих за электрическую и магнитную составляющие световой волны) при воздействии на него сильного магнитного поля. Наиболее сильно он проявляется при прохождения света через ферромагнетики, в вакууме же для наблюдения эффекта необходимы поля индукцией в десятки миллионов тесла.

Но подобное поведение света возможно и за счет гравитации, и чем больше масса объекта, тем сильней он будет проявляться. Общая теория относительности не только связывает время и пространство в так называемый «четырехмерный пространственно-временной континуум», как в СТО, но и наделяет особым статусом гравитацию, «разрешая» ей искажать пространство-время расположенными в нем массивными объектами. Из-за этого искажения направление движения света претерпевает изменения вблизи, например, звезд или черных дыр — это основа эффекта гравитационного линзирования. Если массивный объект при этом еще и вращается, искажения пространства-времени заставляют луч света не только отклоняться, но еще и изменять некоторые свои характеристики, а именно угол поляризации.

Теоретически эффект был предсказан еще в середине прошлого века, но эксперимента, который позволил бы при существующих технологиях его измерить, невозможно было создать. Во-первых, это обусловлено тем, что области вокруг черных дыр, в которых создается достаточно сильное вращение поляризации света, сравнительно малы для разрешающей способности телескопов. Во-вторых, сами поляриметры не позволяли детектировать малые углы, например, в несколько градусов. В настоящее время возможности телескопов позволяют рассмотреть эффекты микролинзирования квазаров на расстояниях в 10 гравитационных радиусов от центральной черной дыры. Автор работы считает, что эти масштабы достаточны и для наблюдения гравитационного эффекта Фарадея.

В модели опыта рассматривается прохождение рентгеновского света от далекого квазара вблизи вращающейся черной дыры (ее еще называют Керровской, в честь ученого, который теоретически описал некоторые проявляемые такими объектами эффекты). При этом процент поляризованного света будет определяться гравитационным отклонением и эффектами аберрации, а изменение угла поляризации — гравитационным эффектом Фарадея. Наблюдая за тем, как изменяется степень и угол поляризации при прохождении квазара за черной дырой, то есть в зависимости от взаимного расположения источника, «линзы» и наблюдателя, можно будет сравнить полученные результаты с теоретическими, которые предсказывает общая теория относительности и подвергнуть ее очередной проверке.

Согласно расчетам автора, результат измерения должен зависеть от скорости вращения и массы черной дыры, а также угла наклона источника. Однако существует много других параметров, которые еще только предстоит учесть в расчетах — среднее распределение массы объектов помимо линзы (звезд, планет) на пути движения света, их геометрических размеров, угла наклона источника (квазара) и так далее. Но несмотря на теоретически сложное описание, по крайней мере экспериментальная реализация такого эксперимента возможна уже в настоящее время.

Недавно астрономам удалось пронаблюдать линзирование рентгеновского излучения квазаров. Ранее, в 1976 году другая группа ученых успешно измерила поляризацию рентгеновских лучей в Крабовидной туманности. Однако, последний эксперимент потребовал работы отдельного спутника, OSO-8. Для того, чтобы провести эксперимент, предложенный автором, потребуется объединить несколько используемых методик и приборов, чтобы одновременно пронаблюдать за изменением как степени, так и угла поляризации света, а также эффекты линзирования при прохождении квазара позади черной дыры.

Екатерина Митрофанова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.