Увлечение пространства-времени впервые измерили у звезд

Астрономы обнаружили первую звездную систему, в которой удалось выделить прецессию Лензе — Тирринга (изменение наклона оси вращения тела, вызванное эффектами общей теории относительности). Открытие удалось сделать в редкой двойной системе из пульсара и белого карлика: регулярные импульсы от нейтронной звезды позволили с высокой точностью измерить параметры ее движения, на которое оказывает влияние быстрое вращение белого карлика. Результаты опубликованы в журнале Science.

Современная теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна — предсказывает ряд новых эффектов в случае тел больших масс, а также их интенсивных движений. Одно из таких явлений называется эффектом Лензе — Тирринга (ЭЛТ) или увлечением инерциальных систем отсчета, оно связано с быстрым вращением массивного тела. В таком случае помимо обусловленного искривлением пространства-времени притяжения на пробное тело действует дополнительная сила, называемая гравимагнитной, которая приводит к изменению плоскости орбиты объекта.

С одной стороны, ЭЛТ помогает объяснять некоторые наблюдаемые особенности активных черных дыр, например, раскачивание их джетов. С другой, столь далекие объекты невозможно исследовать в деталях, поэтому нельзя быть полностью уверенными, что возникающее явление не обусловлено иными причинами. Экспериментальная проверка ЭЛТ входила в задачи таких искусственных спутников Земли, как LAGEOS и Gravity Probe B, и, хотя их измерения в целом подтверждают ОТО, существуют сомнения в точности оценок увлечения систем отсчета.

Потенциально можно измерить ЭЛТ и в астрономических наблюдениях, но для этого необходимо найти подходящие объекты. Искомая система должна быть тесной парой массивных гравитационно-связанных тел, причем параметры их движения необходимо независимо вычислять с высокой точностью. Помимо дополнительного подтверждения относительно измерений на спутниках, астрономические данные позволяют тестировать предсказания ОТО в режиме сильного поля, то есть когда релятивистские эффекты нельзя рассматривать как малые поправки к гравитации Ньютона, в то время как в случае орбиты Земли — можно.

Астрономы под руководством Мэтью Бейлеса (Matthew Bailes) из Технологического университета Суинберна представили результаты анализа двадцатилетних наблюдений за системой PSR J1141-6545 — одной из двух известных двойных систем из пульсара и белого карлика, но единственной тесной. Измерения радиоимпульсов от пульсара позволили с высокой точностью определить параметры его орбиты, которые оказались изменяющимися во времени. Результаты моделирования показали, что соответствия наблюдений можно добиться только в случае включения влияния эффекта Лензе — Тирринга со стороны белого карлика на орбиту пульсара.

Сразу несколько особенностей делают систему PSR J1141-6545 уникальной, благодаря чему и стало доступно новое измерение. Помимо уже упомянутых факторов, объекты в ней эволюционировали нестандартным образом: обычно в двойной сперва более массивная звезда превращается в компактный объект (пульсар в данном случае), а затем то же происходит с менее массивной. В PSR J1141-6545 все произошло наоборот, из-за чего перед рождающим пульсар взрывом сверхновой на уже появившийся белый карлик перетекла значительная часть расширившейся оболочки компаньона. В результате белый карлик получил дополнительный момент импульса и стал вращаться очень быстро по меркам подобных тел.

Сравнение времени прихода импульсов нейтронной звезды с показаниями атомных часов позволили определять орбиту объекта с точностью до тридцати километров на протяжении почти двух десятков лет. Анализ собранных данных позволил выделить смещение положения примерно на 150 километров относительно ожидаемого. Вычисления с учетом ЭЛТ позволили объяснить это различие с высокой точностью. Определенная величина ЭЛТ позволяет вычислить скорость вращения белого карлика, который слишком тусклый для непосредственного измерения. Оказалось, что период вращения составляет менее 200 секунд.

Эффект Лензе — Тирринга часто

для описания экстремальных астрофизических объектов, таких как вращающиеся сверхмассивные черные дыры. Ранее другой эффект ОТО

для предсказания полувека радиомолчания двойного пульсара. Также пульсары используют для проверки законов физики, в том числе самой ОТО: например, их

для поиска несоответствий инертной и гравитационной массы.

Тимур Кешелава