Бросить вызов величайшей теории Эйнштейна с помощью звезд-экстремалов

Международная группа исследователей наблюдала за звездами — парой экстремальных звезд, называемых пульсарами, — через семь радиотелескопов по всему земному шару, и они использовали их, чтобы бросить вызов самой известной теории Эйнштейна с помощью некоторых из самых строгих тестов.

Исследователи провели 16-летний эксперимент, чтобы бросить вызов общей теории относительности Эйнштейна. Международная команда смотрела на звезды — пару крайних звезд, называемых пульсарами, — через семь радиотелескопов по всему земному шару. Предоставлено: Институт радиоастрономии Макса Планка.

Исследование обнаруживает новые релятивистские эффекты, которые, хотя и ожидались, сейчас наблюдаются впервые.

Доктор Роберт Фердман из Физической школы UEA сказал: «Каким бы впечатляющим успехом ни оказалась общая теория относительности Эйнштейна, мы знаем, что это не последнее слово в теории гравитации.

«Спустя более 100 лет ученые всего мира продолжают попытки найти недостатки в его теории. Общая теория относительности несовместима с другими фундаментальными силами, описываемыми квантовой механикой. Поэтому важно продолжать проводить самые строгие проверки общей теории относительности, чтобы выяснить, как и когда теория терпит крах.

«Обнаружение любого отклонения от общей теории относительности стало бы крупным открытием, которое откроет окно в новую физику, выходящую за рамки нашего нынешнего теоретического понимания Вселенной.

«И это может помочь нам в конечном итоге открыть единую теорию фундаментальных сил природы».

Международная группа исследователей из десяти стран под руководством Майкла Крамера из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, Германия, подвергла теорию Эйнштейна самым строгим проверкам.

Доктор Фердман сказал: «Пульсар — это сильно намагниченная вращающаяся компактная звезда, которая испускает пучки электромагнитного излучения из своих магнитных полюсов.

«Они весят больше нашего Солнца, но их диаметр составляет всего около 15 миль, поэтому они представляют собой невероятно плотные объекты, которые излучают радиолучи, которые охватывают небо, как маяк. Мы изучили двойной пульсар, который был обнаружен членами группы в 2003 году и представляет собой наиболее точную лабораторию, которая у нас есть на данный момент для проверки теории Эйнштейна. Конечно, его теория возникла тогда, когда невозможно было вообразить ни эти типы экстремальных звезд, ни методы, используемые для их изучения ».

Двойной пульсар состоит из двух пульсаров, которые вращаются вокруг друг друга всего за 147 минут со скоростью около 1 миллиона км / ч. Один пульсар вращается очень быстро, примерно 44 раза в секунду. Спутник молодой и имеет период вращения 2,8 секунды. Их движение друг вокруг друга можно использовать как лабораторию почти идеальной гравитации.

Для наблюдения этого двойного пульсара использовались семь чувствительных радиотелескопов — в Австралии, США, Франции, Германии, Нидерландах и Великобритании (радиотелескоп Ловелла).

Профессор Крамер сказал: «Мы изучили систему компактных звезд, которая является непревзойденной лабораторией для проверки теории гравитации в присутствии очень сильных гравитационных полей. К нашему удовольствию, мы смогли проверить краеугольный камень теории Эйнштейна, энергию, переносимую гравитационными волнами, с точностью, которая в 25 раз лучше, чем с пульсаром Халса-Тейлора, удостоенным Нобелевской премии, и в 1000 раз лучше, чем это возможно в настоящее время, с гравитационным пульсаром. детекторы волн ».

Он объяснил, что наблюдения не только согласуются с теорией, «но мы также смогли увидеть эффекты, которые ранее не могли быть изучены».

Профессор Бенджамин Стапперс из Манчестерского университета сказал: «Открытие системы двойных пульсаров было сделано в рамках исследования, проведенного совместно с Манчестерским университетом, и он представил нам единственный известный экземпляр двух космических часов, которые позволяют точно измерение структуры и эволюции интенсивного гравитационного поля.

«Телескоп Ловелла в обсерватории Джодрелл-Бэнк с тех пор наблюдает за ним каждые пару недель. Эта длительная база высококачественных и частых наблюдений обеспечила отличный набор данных для объединения с данными обсерваторий по всему миру ».

Профессор Ингрид Стэйрс из Университета Британской Колумбии в Ванкувере сказала: «Мы следим за распространением радиофотонов, излучаемых космическим маяком, пульсаром, и отслеживаем их движение в сильном гравитационном поле сопутствующего пульсара.

«Мы впервые видим, как свет задерживается не только из-за сильной кривизны пространства-времени вокруг спутника, но также и то, что свет отклоняется на небольшой угол в 0,04 градуса, который мы можем обнаружить. Никогда раньше такой эксперимент не проводился при такой большой кривизне пространства-времени ».

Профессор Дик Манчестер из австралийского национального научного агентства CSIRO сказал: «Такое быстрое орбитальное движение таких компактных объектов — они примерно на 30 процентов массивнее Солнца, но всего около 24 км в поперечнике — позволяет нам проверить множество различных предсказаний общего относительность — всего семь!

«Помимо гравитационных волн и распространения света, наша точность позволяет нам также измерить эффект« замедления времени », который заставляет часы работать медленнее в гравитационных полях. Нам даже нужно принять во внимание знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 при рассмотрении влияния электромагнитного излучения, испускаемого быстро вращающимся пульсаром, на орбитальное движение.

«Это излучение соответствует потере массы 8 миллионов тонн в секунду! Хотя это кажется большим, это лишь малая часть — 3 части на тысячу миллиардов миллиардов (!) — массы пульсара в секунду ».

Исследователи также измерили — с точностью до 1 части на миллион (!) — что орбита меняет свою ориентацию — релятивистский эффект, также хорошо известный по орбите Меркурия, но здесь в 140 000 раз сильнее.

Они поняли, что на этом уровне точности им также необходимо учитывать влияние вращения пульсара на окружающее пространство-время, которое «увлекается» вращающимся пульсаром.

Доктор Норберт Векс из MPIfR, другой главный автор исследования, сказал: «Физики называют это эффектом Лензе-Тирринга или перетаскиванием кадра. В нашем эксперименте это означает, что нам нужно рассматривать внутреннюю структуру пульсара как нейтронную звезду.

«Таким образом, наши измерения позволяют нам впервые использовать прецизионное отслеживание вращения нейтронной звезды, метод, который мы называем синхронизацией пульсара, чтобы обеспечить ограничения на расширение нейтронной звезды».

Методика измерения времени пульсаров была объединена с тщательными интерферометрическими измерениями системы для определения расстояния до нее с получением изображений с высоким разрешением, что дало значение 2400 световых лет с погрешностью всего 8 процентов.

Член группы профессор Адам Деллер из Университета Суинберна в Австралии, ответственный за эту часть эксперимента, сказал: «Это сочетание различных дополнительных методов наблюдения, которые добавляют экстремальной ценности эксперименту. В прошлом подобные исследования часто затруднялись из-за ограниченного знания о расстоянии до таких систем ».

Это не тот случай, когда в дополнение к таймингу пульсаров и интерферометрии также тщательно учитывалась информация, полученная из-за эффектов, связанных с межзвездной средой.

Профессор Билл Коулз из Калифорнийского университета в Сан-Диего соглашается: «Мы собрали всю возможную информацию о системе и получили совершенно непротиворечивую картину, включающую физику из самых разных областей, таких как ядерная физика, гравитация, межзвездная среда, физика плазмы и многое другое. . Это довольно необычно ».

Пауло Фрейре, также из MPIfR, сказал: «Наши результаты хорошо дополняют другие экспериментальные исследования, которые проверяют гравитацию в других условиях или видят другие эффекты, такие как детекторы гравитационных волн или телескоп Event Horizon.

«Они также дополняют другие эксперименты с пульсаром, такие как наш эксперимент по времени с пульсаром в тройной звездной системе, который предоставил независимую и превосходную проверку универсальности свободного падения».

Профессор Крамер добавил: «Мы достигли беспрецедентного уровня точности. Будущие эксперименты с еще более крупными телескопами могут пойти еще дальше.

«Наша работа показала, как нужно проводить такие эксперименты и какие тонкие эффекты теперь необходимо учитывать. И, может быть, однажды мы обнаружим отклонение от общей теории относительности ».

Статья опубликована в Физический обзор X 13 декабря 2021 г.