16-летнее наблюдение за парой пульсаров с рекордной точностью подтвердило Общую теорию относительности

Астрофизики проверили предсказания Общей теории относительности с рекордной точностью и измерили не наблюдавшиеся ранее релятивистские эффекты, использовав результаты шестнадцатилетних наблюдений семи телескопов за парой пульсаров. Исследователи также выяснили, что предсказания некоторых популярных альтернативных теорий гравитации противоречат результатам их наблюдений. Исследование опубликовано в Physical Review X.

Общая теория относительности (ОТО) очень хорошо описывает гравитационное взаимодействие, корректируя ньютоновскую теорию гравитации для сильных гравитационных полей или высоких скоростей движения взаимодействующих тел. Все проведенные на настоящий момент проверки этой теории подтвердили ее правильность. Несмотря на то, что существуют экспериментальные подтверждения теории Эйнштейна для очень сильных гравитационных полей, как, например, измерение красного смещения света звезды, движущейся вблизи сверхмассивной черной дыры, обычно ее предсказания проверяются для сравнительно слабых полей. Одними из самых перспективных физических систем для проверки ОТО в сильных гравитационных полях являются пары пульсаров — нейтронных звезд с очень сильным магнитным полем, у которых магнитные полюса не совпадают с полюсами вращения.

Пульсары интересны тем, что вращение нейтронных звезд с огромной точностью представляет собой периодический процесс, что делает удобным его наблюдение с Земли и измерение с помощью этих наблюдений параметров пульсаров. Если же пульсары образуют пару, то из-за больших масс компаньонов, компактности нейтронных звезд, а также огромных скоростей их движения, измеримые релятивистские эффекты возникают и в их орбитальном движении друг относительно друга. Например, наблюдавшееся уменьшение периода вращения пары пульсаров из-за излучения ими гравитационных волн позволило подтвердить существование этого излучения почти за 40 лет до его прямого обнаружения наземными гравитационными обсерваториями LIGO и VIRGO.

Группа астрофизиков из девяти стран под руководством Майкла Крамера (Michael Kramer) из Института радиоастрономии Общества Макса Планка и Манчестерского университета представила результаты анализа 16-летних наблюдений за парой пульсаров PSR J0737–3039A/B. Используя данные этих наблюдений, ученые нашли семь релятивистских параметров, называемых посткеплеровскими поправками, для PSR J0737–3039A/B.

Наблюдение за PSR J0737–3039A/B физики вели с помощью австралийского 64-метрового радиотелескопа Паркса, американского 100-метрового радиотелекопа Грин-Бэнк, нидерландского радиотелескопа WSRT, состоящего из 14 управляемых 25-метровых тарелочных антенн, французского радиотелескопа NRT, главное зеркало которого состоит из десяти панелей, каждая 20 метров в ширину и 40 метров в высоту, немецкого 100-метрового Эффельсбергского радиотелескопа и английского 76-метрового радиотелескоп имени Ловелла. Также ученые использовали данные американского радиоинтерферометра VLBA для более точного измерения расстояния до пары пульсаров, которое составило 735±60 парсек от Земли. Пульсар A имеет массу, равную 1,34 массы Солнца, и период вращения вокруг своей оси 2,3 миллисекунды. Масса пульсара B равна 1,25 массы Солнца, а период вращения составляет 2,8 секунды. Период орбитального вращения пары составляет 2,45 часа, а эксцентриситет орбиты равен 0,088.

Проанализировав данные наблюдений, физики измерили ряд посткеплеровских параметров. Во-первых, они получили скорость уменьшения периода орбитального движения P_b со временем, вызванного излучением парой пульсаров гравитационных волн. Отношение этого изменения за период к самому периоду вращения составило приблизительно −1,25 × 10⁻¹². Во-вторых, исследователи нашли скорость изменения угловой координаты периастра ω со временем — эффект, аналогичный смещению перигелия Меркурия при его орбитальном движении вокруг Солнца, объяснение которого было первой успешной проверкой правильности ОТО. Эта угловая скорость оказалась равна 16,9 градуса за год. Точность измерения этой величина была так велика, что для того, чтобы точно ее найти из наблюдательных данных за движением световых лучей, ученым пришлось учесть эффект Лензе – Тирринга, который заключается в увлечении за собой инерциальной системы отсчета вращающимся телом. Величина этого эффекта зависит от момента инерции гравитирующего тела, который в свою очередь зависит от распределения плотности вещества внутри него. В перспективе, более точные измерения этого эффекта могут дать информацию об уравнении состояния вещества нейтронной звезды, которое при современном понимании квантовой хромодинамики нельзя получить аналитически. Кроме того, ученые нашли скорость прецессии спина Ω_B медленно вращающегося пульсара B, которая составила 4,77±0,66 градуса в год. Астрофизики также измерили задержки прихода сигнала на Землю, связанные с красным смещением γ_E (эффект Эйнштейна), и с отклонением луча света в гравитационном поле. Это отклонение называется эффектом Шапиро и характеризуется двумя параметрами — амплитудой r и формой s, равной синусу угла наклона орбиты к линии наблюдения с Земли. Значения этих параметров оказались равны примерно γ_E = 0,384 миллисекунды, r = 6,16 микросекунды и s = 0,999936.

Скорость изменения периода орбитального движения пульсаров совпала с предсказанием ОТО с точностью 1,3 × 10⁻⁴ с доверительной вероятностью 95 процентов, что является самой точной проверкой ОТО в настоящее время. Некоторые эффекты ученые наблюдали впервые. К ним относится потеря массы быстро вращающимся пульсаром A за счет излучения им гравитационных волн, релятивистская деформация орбиты движения пульсаров друг вокруг друга, а также обсуждаемый выше эффект влияния уравнения состояния нейтронной материи на движение пульсаров.

Измеренные учеными посткеплеровские параметры позволили им проверить две популярные альтернативные теории гравитации: двухпараметрическую моноскалярно-тензорную гравитацию, называемую также DEF-гравитацией, и тензорно-векторно-скалярную гравитацию Бекенштейна. В первой теории существенно модифицируется интенсивность излучения гравитационных волн, и, рассмотрев значения параметров теории, не исключенные другими экспериментами, физики пришли к выводу, что теория противоречит их наблюдениям. Гравитацию Бекенштейна иногда рассматривают как потенциальную MOND-теорию, которая может объяснить динамику звезд в галактиках без введения темной материи. Однако для значения единственного параметра теории, которое хорошо подходит для этой цели, посткеплеровские параметры оказались сильно противоречащими наблюдениям.

Физики рассчитывают, что дальнейшее наблюдение за PSR J0737–3039A/B с помощью современных телескопов, таких как MeerKAT, а также будущего Square Kilometre Array, позволит измерить релятивистские эффекты в динамике пары пульсаров с существенно большей точностью, что даст возможность еще более надежно проверить правильность ОТО, точно установить расстояние до пары пульсаров, а также детально исследовать уравнение состояния вещества нейтронных звезд.