Сверхмассивная черная дыра помогла протестировать один из ключевых принципов ОТО

Физики использовали данные, полученные в ходе наблюдений за звездой S2 на орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, для проверки локальной пространственной инвариантности — одной из основ теории относительности. Этот принцип утверждает, что результаты физических измерений в условиях свободного падения не зависят от места их проведения. Авторы не смогли обнаружить отклонений, что позволяет установить самые сильные на данный момент ограничения на степень нарушения этого принципа, сообщают авторы в Physical Review Letters.

Общая теория относительности (ОТО) — это доминирующая сегодня в научном мире теория тяготения, предложенная в начале XX века Альбертом Эйнштейном. Она опирается на несколько фундаментальных принципов, справедливость которых необходимо независимо проверять для полной уверенности в правильности всех рассуждений и для сравнения ОТО с конкурирующими теориями гравитации. Самым базовым утверждением является слабый принцип эквивалентности. У него существует несколько эквивалентных формулировок, в частности «гравитационная и инертная массы любого тела равны» и «все пробные тела в похожих точках пространства-времени под действием данного гравитационного поля будут испытывать одинаковые ускорения вне зависимости от их свойств, в том числе массы покоя».

На основе слабого принципа эквивалентности формулируются более сложные утверждения, в том числе так называемый принцип эквивалентности Эйнштейна. Он объединяет выполнение трех условий: слабого принципа эквивалентности, а также локальной лоренцевой и пространственной инвариантностей. Локальная лоренц-инвариантность предполагает, что результат локального не связанного с гравитацией эксперимента не зависит от скорости оборудования, а локальная пространственная инвариантность добавляет к этому независимость также и от положения в пространстве-времени. При этом также предполагается, что все эти измерения лишены непосредственного влияния со стороны тяготения, то есть сделаны в условиях свободного падения, а также малых размеров, что позволяет игнорировать приливные силы и вариации гравитационного потенциала.

На данный момент физики провели множество экспериментов в попытке найти отклонения от ее предсказаний и справедливости основополагающих принципов. Такие свидетельства могли бы указать на возможные теоретические направления развития, потому что различные теории гравитации могут отличаться от ОТО в плане совместимости с базовыми принципами. В частности, ученые надеются, что таким образом удастся, по крайней мере, частично разобраться в природе темной материи и темной энергии. Однако такие проверки проводились в слабых полях, например, создаваемых Солнцем или белыми карликами, что значительно ограничивает их возможности, так как в таком случае даже отличие ОТО от механики Ньютона проявляется не очень сильно.

В работе международной коллаборации GRAVITY описываются результаты проверки локальной пространственной инвариантности в наиболее сильных гравитационных полях, когда-либо использованных для подобных измерений. На этот раз астрофизики изучали спектр звезды S2 на орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Так как светило находится достаточно близко к черной дыре, то испущенным фотонам приходится преодолевать гравитацию сверхмассивного тела, на что они расходуют энергию — этот эффект называется гравитационным красным смещением. Более того, эллиптическая форма орбиты звезды обеспечивает сближение на различные расстояния. В результате становится возможным измерение гравитационного красного смещения при различных значениях гравитационного потенциала.

В данном случае справедливость локальной пространственной инвариантности означает, что гравитационное красное смещение часов должно зависеть только от изменения гравитационного потенциала. В рамках этой работы ученых конкретно интересовало излучение водорода и гелия, атомы которых являются «часами», то есть системами с периодическими процессами. Исследователи сравнивали относительное изменение частот излучения водорода и гелия в различных точках орбиты вокруг черной дыры. В результате средний показатель оказался равным 2,4×10^-2, но ошибки были примерно в два раза больше, что согласуется с нулевым значением, как и должно быть в случае справедливости локальной пространственной инвариантности. Если бы это условие не выполнялось, то частоты излучения водорода и гелия в разных точках орбиты менялись бы несогласованно.

Данная оценка является далеко не самой сильной, так как длительные измерения в солнечной системе с использованием очень стабильных лабораторных источников излучения позволяют достичь большей точности, однако этот результат получен в значительно более сильном гравитационном поле, чем все предыдущие. Также авторы пишут, что к моменту следующего прохождения звездой S2 периботроса (ближайшей к черной дыре точки орбиты) в 2034 году должен начать полноценно работать крупнейший наземный телескоп E-ELT с диаметром главного зеркала 39 метров. Его инструменты позволят наблюдать более подходящие линии излучения с гораздо более высокой точностью, что, по оценкам авторов, сделает оценки приведенным методом примерно в 10000 раз точнее, а это поставит их на один уровень с самыми сильными, полученными на данный момент. Помимо этого, станет доступно детальное наблюдение менее ярких звезд у черной дыры и прямая проверка слабого принципа эквивалентности.

Коллаборация GRAVITY не первый раз использует звезды на орбите сверхмассивной черной дыры для проверки общей теории относительности. В прошлом году они представили результаты измерения самого эффекта гравитационного красного смещения. Это стало первой прямой проверкой ОТО вблизи сверхмассивной черной дыры.

Тимур Кешелава