Прошло более ста лет с тех пор, как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности (ОТО), геометрическую теорию гравитации, которая произвела революцию в нашем понимании Вселенной. И все же астрономы до сих пор подвергают ее строгим проверкам, надеясь найти отклонения от этой устоявшейся теории. Причина проста: любое указание на физику за пределами ОТО открыло бы новые законы Вселенной и помогло бы разрешить некоторые из самых сложных загадок космоса.
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 с точностью не менее 99,99%!
Помимо исследователей из MPIfR, к ученым присоединились исследователи из институтов из десяти разных стран, включая Центр астрофизики Джодрелл Бэнк (Великобритания), Центр передового опыта ARC по открытию гравитационных волн (Австралия), Институт периметра. для теоретической физики (Канада), Парижской обсерватории (Франция), Астрономической лаборатории Кальяри (Италия), Южноафриканской радиоастрономической обсерватории (SARAO), Нидерландского института радиоастрономии (ASTRON) и обсерватории Аресибо.
Радиопульсары — это особый класс быстровращающихся сильно намагниченных нейтронных звезд. Эти сверхплотные объекты излучают мощные радиолучи со своих полюсов, которые (в сочетании с их быстрым вращением) создают стробирующий эффект, напоминающий маяк. Астрономы очарованы пульсарами, потому что они дают богатую информацию о физике сверхкомпактных объектов, магнитных полях, межзвездной среде (МЗС), планетной физике и даже космологии.
Кроме того, задействованные экстремальные гравитационные силы позволяют астрономам проверять предсказания, сделанные гравитационными теориями, такими как ОТО и модифицированная ньютоновская динамика (МОНД), в самых экстремальных условиях, которые только можно себе представить. В рамках исследования ученые изучили PSR J0737-3039 A/B, систему "двойных пульсаров", расположенную в 2400 световых годах от Земли в созвездии Корма.
Эта система является единственным когда-либо наблюдаемым двойным радиопульсаром и была открыта в 2003 году членами исследовательской группы. Два пульсара, составляющие эту систему, совершают быстрое вращение — 44 раза в секунду (А), один раз в 2,8 секунды (В) — и обращаются друг вокруг друга с периодом всего 147 минут. Хотя они примерно на 30% массивнее Солнца, их диаметр составляет всего около 24 км. Отсюда их сильное гравитационное притяжение и мощные магнитные поля. В дополнение к этим свойствам, быстрый период обращения этой системы делает ее почти идеальной лабораторией для проверки теорий гравитации.
В ходе 16-летней наблюдательной кампании использовались семь радиотелескопов, в том числе радиотелескоп Parkes (Австралия), телескоп Green Bank (США), радиотелескоп Nançay (Франция), 100-метровый телескоп Effelsberg (Германия), радиотелескоп Lovell Радиотелескоп (Великобритания), Радиотелескоп синтеза Вестерборк (Нидерланды) и Решетка с очень длинной базой (США). Эти обсерватории покрывали разные участки радиоспектра, от 334 МГц и 700 МГц до 1300–1700 МГц, 1484 МГц и 2520 МГц. При этом ученые смогли увидеть, как на фотоны, исходящие от этого двойного пульсара, воздействовало его сильное гравитационное притяжение.
Быстрое орбитальное движение таких компактных объектов позволило исследователям проверить семь различных предсказаний ОТО. К ним относятся гравитационные волны, распространение света (задержка Шапиро и искривление света), замедление времени, эквивалентность массы и энергии (E=mc²) и влияние электромагнитного излучения на орбитальное движение пульсара.
Исследователи также провели чрезвычайно точные измерения изменений орбитальной ориентации пульсаров, релятивистского эффекта, который впервые наблюдался 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".
Еще одним ценным выводом из этого эксперимента стало то, как команда объединила дополнительные методы наблюдения для получения высокоточных измерений расстояния. Подобным исследованиям часто мешали плохо ограниченные оценки расстояния в прошлом. Объединив метод синхронизации пульсара с тщательными интерферометрическими измерениями (и эффектами ISM), команда получила результат высокого разрешения в 2400 световых лет с погрешностью 8%.
