Группа астрофизиков во главе с Энн Арчибальд (Anne Archibald) измерила, насколько хорошо выполняется один из принципов общей теории относительности, а именно универсальность свободного падения тел. Ученые уменьшили верхнюю оценку параметра Нордтведта, показывающего, нарушается ли универсальность свободного падения, для систем с сильным гравитационным взаимодействием на 3 порядка. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature.
Общая теория относительности была разработана Эйнштейном в начале ХХ века. Ее концепция заключается в том, что вся вселенная существует в четырехмерном пространстве-времени, а любая материя (а точнее — энергия и импульс) его искривляет. Для того, чтобы найти это искривление, необходимо решить уравнение Эйнштейна.
Помимо уравнения Эйнштейна ОТО содержит постулат о равенстве инертной и гравитационной масс для всех тел. Строго говоря, инертная масса, ответственная за сопротивление тела внешним воздействиям, не обязана быть равна гравитационной, которая отвечает за взаимное притяжение тел, однако еще Ньютоном было показано, что они совпадают с точностью до 10-3, а со временем эта оценка уточнялась. Из постулата о равенстве гравитационной и инертной массы следует следующий принцип, называющийся принципом сильной эквивалентности или универсальностью свободного падения тел — все тела ускоряются одинаково во внешнем гравитационном поле, даже те, которые создают собственное гравитационное поле, по величине сравнимое с внешним. Это утверждение отличает ОТО от многих конкурирующих теорий гравитации.
В своей работе ученые проводили оценку параметра Δ=(Mg/MI − 1), который характеризует различие гравитационной и инертной массы для тела, создающего сильное собственное гравитационное поле. Если параметр Δ не равен нулю, значит гравитационная и инертная массы исследуемой системы отличаются, а следовательно нарушается и ОТО, вместе с некоторыми другими теориями. В качестве исследуемого объекта была выбрана система с двумя белыми карликами и пульсаром. Именно для нейтронной звезды и измерялся параметр Δ. Кроме того, ученые утверждают, что их работа — это первая прямая экспериментальная проверка непосредственно принципа сильной эквивалентности в настолько сильных гравитационных полях.
Для получения результатов астрофизики обрабатывали данные из трех источников, Вестерборкского радиотелескопа, обсерватории Аресибо и телескопа Грин-Бэнк. Сначала ученые просто «в лоб» подобрали численное значение параметра Δ, удовлетворяющее сырым данным, которое вышло равным −1.1×10−6, с 1σ отклонением в 2 × 10−7. Однако этот результат искажен систематическими отклонениями, связанными с переменным солнечным ветром, рассеянием сигнала, плохой точностью измерения скорости звезд и так далее. Чтобы избавиться от их влияния, ученые ввели ненулевой параметр Δ, оценили его влияние на орбиту, а затем подбирали параметры шумов так, чтобы модулируемые учеными орбиты с пробным набором параметров совпадали с наблюдаемыми. После этой процедуры для новых параметров и шумов ученые вычисляли уже истинное значение Δ, которое с вероятность 2σ, (или 95%) не превосходило 2.6×10−6. Грубо говоря, такой метод напоминает последовательные приближения: сначала вычисляется приблизительное значение, потом на его основе более точное и так далее.
Важно отметить, что в данной работе учеными прямо проверялся именно принцип универсальности свободного падения тел. До их работы этот принцип был проверен на системе из белого карлика и пульсара, падающей в поле притяжения галактики Млечный путь, однако точность оценки параметра Δ в предыдущем эксперименте составляла 10-3.
Ранее другая группа ученых провела эксперимент, в котором измеряла два потенциала, один из которых отвечает за замедление времени, а второй — за кривизну пространства. Вычисления показали, что отношение значений потенциалов не зависит от расстояния до источника гравитации, что согласуется с ОТО и отвергает часть других теорий гравитации. А еще раньше, в июне 2017, с помощью телескопа «Хаббл» был повторен классический эксперимент Эддингтона в котором рассматривалось преломление света от далекой звезды при его прохождении недалеко от белого карлика Stein 2051B.
Александр Чепилко