Радио Пульсар доказывает, что Двоичный Эйнштейн прав по крайней мере на 99,99%

Прошло более ста лет с тех пор, как Эйнштейн формализовал свою общую теорию относительности (ОТО), геометрическую теорию гравитации, которая произвела революцию в нашем понимании Вселенной. Однако астрономы до сих пор подвергают строгим проверкам, надеясь найти отклонения от этой устоявшейся теории. Причина проста: любой индикатор физики за пределами ОТО открыл бы новые окна во Вселенную и помог бы разгадать некоторые из более глубоких тайн Вселенной.

Одно из самых строгих испытаний недавно было проведено международной группой астрономов во главе с Майклом Крамером из Института радиоастрономии Макса Планка (MPIfR) в Бонне, Германия. Используя семь радиотелескопов со всего мира, Крамер и его коллеги в течение 16 лет наблюдали за уникальной парой пульсаров. При этом они впервые наблюдали эффекты, предсказанные ОТО, и с здоровье Не менее 99,99%!

Помимо исследователей из MPIfR, к Крамеру и его коллегам присоединились исследователи из институтов из десяти разных стран, включая Центр астрофизики Джодрелл Бэнк (Великобритания), Центр передового опыта ARC по обнаружению гравитационных волн (Австралия) и Исследовательский центр океана. институт. Для теоретической физики (Канада), Парижская обсерватория (Франция), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Италия), Южноафриканская радиоастрономическая обсерватория (SARAO), Нидерландский институт радиоастрономии (ASTRON) и обсерватория Аресибо.

Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие широкие узкие лучи радиоволн. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

«Радиопульсары» — это особый класс быстро вращающихся нейтронных звезд, обладающих сильным магнитным полем. Эти сверхплотные объекты излучают мощные радиолучи со своих полюсов, которые (в сочетании с их быстрым вращением) создают мощный эффект маяка. Астрономы очарованы пульсарами, потому что они предоставляют массу информации о физике сверхмалых объектов, магнитных полях, межзвездной среде (МЗС), физике планет и даже космологии.

Кроме того, интенсивные гравитационные силы позволяют астрономам проверять предсказания, сделанные теориями гравитации, такими как ОТО и ОТО. Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) в самых суровых условиях, которые только можно себе представить. Для своего исследования Крамер и его команда изучили PSR J0737-3039 A/B, систему «двойных звезд», расположенную в 2400 световых годах от Земли в Созвездие Щенка.

Эта система является единственным радио пульсар binary когда-либо и был обнаружен в 2003 году членами исследовательской группы. Два пульсара, составляющие эту систему, вращаются быстро — 44 раза в секунду (А), один раз в 2,8 секунды (В) — и вращаются вокруг друг друга всего за 147 минут. Хотя он примерно на 30% больше Солнца, его диаметр составляет всего около 24 км (15 миль). Отсюда его сильная гравитация и сильные магнитные поля.

В дополнение к этим свойствам, быстрый орбитальный период этой системы делает ее почти идеальной лабораторией для проверки гравитационных теорий. Как сказал профессор Крамер в недавнем пресс-релизе MPIfR:

«Мы изучили систему сжатых звезд и являемся непревзойденной лабораторией для проверки теорий гравитации в присутствии очень сильных гравитационных полей. К нашему удовольствию, мы смогли проверить краеугольный камень теории Эйнштейна — энергию, которую она несет. гравитационные волны, с точностью в 25 раз лучше, чем у нобелевского лауреата пульсара Халса-Тейлора, и в 1000 раз лучше, чем то, что в настоящее время возможно с помощью детекторов гравитационных волн».

Представление художника о пути звезды S2, проходящей вблизи Стрельца A*, что также позволяет астрономам проверить предсказания, сделанные общей теорией относительности, в экстремальных условиях. Предоставлено: ESO/М. Корнмейзер.

В ходе 16-летней наблюдательной кампании использовались семь радиотелескопов, в том числе радиотелескоп Паркса (Австралия), телескоп Грин-Бэнк (США), радиотелескоп Нансай (Франция), 100-метровый телескоп Эйфелберга (Германия), радиотелескоп Ловелла (Великобритания), Радиотелескоп Westerbork Synthesis (Нидерланды) и массив с очень длинным сердечником (США).

Эти обсерватории покрывали разные участки радиоспектра, от 334 МГц и 700 МГц до 1300–1700 МГц, 1484 МГц и 2520 МГц. При этом они смогли увидеть, как на фотоны, исходящие от этого двойного пульсара, повлияла его сильная гравитация. Как объяснила соавтор исследования профессор Ингрид Стайерс из Университета Британской Колумбии (UBC) в Ванкувере:

«Мы следим за распространением радиофотонов, испускаемых космическим маяком, пульсаром, и прослеживаем их движение в сильном гравитационном поле пульсара-компаньона. Мы впервые видим, как свет задерживается не только из-за сильного искривления пространства- время вокруг спутника, но также и то, что свет отклоняется на небольшой угол в 0,04 градуса. Мы можем их открыть. Такой эксперимент никогда раньше не проводился в такой большой кривизне пространства-времени».

Как добавил соавтор, профессор Дик Манчестер из Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO), быстрое орбитальное движение таких компактных объектов позволило им проверить семь различных предсказаний относительно ОТО. К ним относятся гравитационные волны, распространение света («задержка Шапиро и искривление света»), замедление времени и уравнение массы-энергии (E = mc).²), и каково влияние электромагнитного излучения на орбитальное движение пульсара.

Телескоп Роберта С. Берда Грин-Бэнк (GBT) в Западной Вирджинии. Кредит: ГБО/АУИ/НСФ

«Это излучение эквивалентно коллективным потерям в 8 миллионов тонн в секунду!» Он сказал. «Хотя это звучит как много, это крошечная доля — 3 части на тысячу миллиардов (!) — массы пульсара в секунду». Исследователи также провели очень точные измерения изменений орбитальной ориентации пульсаров, релятивистского эффекта, впервые обнаруженного на орбите Меркурия, и одной из загадок, которые помогла решить теория ОТО Эйнштейна.

Только здесь эффект был в 140 000 раз сильнее, что привело команду к пониманию того, что им также необходимо учитывать влияние вращения пульсара на окружающее пространство-время. Эффект Ленсе-Тирринга, или «перетаскивание кадра». Доктор Норберт Уикс из MPIfR, еще один ведущий автор исследования, также сделал еще один прорыв:

«Это означает, по нашему опыту, что нам нужно рассматривать внутреннюю структуру пульсара как нейтронная звезда. Следовательно, наши измерения позволяют нам впервые использовать точное отслеживание циклов нейтронных звезд, метод, который мы называем синхронизацией пульсара, чтобы установить ограничения на расширение нейтронной звезды».

Еще одним ценным результатом этого эксперимента стало то, как команда объединила дополнительные методы мониторинга для получения высокоточных измерений расстояния. Подобным исследованиям часто мешали плохие оценки расстояния в прошлом. Объединив технологию синхронизации пульсара с точными измерениями интерферометрии (и эффектами ISM), команда получила результат высокого разрешения в 2400 световых лет с погрешностью 8%.

Художественная иллюстрация двух сливающихся нейтронных звезд. Узкие лучи представляют гамма-всплеск, а волнистая пространственно-временная решетка обозначает противоположные гравитационные волны, характеризующие слияние. Предоставлено: NSF/LIGO/Государственный университет Сономы/A. Симонет

В конце концов, результаты команды не только соответствовали ОТО, но и позволили увидеть эффекты, которые нельзя было изучить ранее. Как выразился Пауло Фрейре, другой соавтор исследования (также из MPIfR):

«Наши результаты хорошо дополняют другие экспериментальные исследования, которые проверяют гравитацию в других условиях или обнаруживают другие эффекты, такие как детекторы гравитационных волн или телескоп Горизонт событий. Они также дополняют другие эксперименты с пульсарами, такие как наш временной эксперимент с пульсаром в тройной звездной системе. , что обеспечило независимый (и увлекательный) тест универсальности свободного падения».

«Мы достигли беспрецедентного уровня точности», — заключил профессор Крамер. Будущие эксперименты с более крупными телескопами могут и будут продолжаться дальше. Наша работа показала, как следует проводить такие эксперименты и какие именно эффекты необходимо учитывать уже сейчас. Возможно, однажды мы обнаружим отклонение от общей теории относительности».

Статья с описанием их исследования недавно появилась в журнале X. физический обзорИ

Первоначально опубликовано в Вселенная сегодня.

Чтобы узнать больше об этом исследовании:

Ссылка: «Гравитационные испытания в сильном поле с использованием двойной звезды» М. Крамера и др. 13 декабря 2021 г., X. физический обзор.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050