Эксперимент длиной в 16 лет. Знаменитая теория Эйнштейна выдержала одну из самых сложных проверок

Получается, мы до сих пор упускаем момент, где теория Эйнштейна «переходит» в квантовую физику — и до тех пор, пока мы их не «соединим», у нас не будет единого правильного трактования физических законов.

Недавно мы писали о погоне ученых за волосами черных дыр — нестабильностях на горизонте событий этих экстремальных объектов, которые влияли бы на их гравитацию. Если бы ученые их нашли, это опровергло бы теорему об отсутствии волос у черных дыр, которая предсказывает, что внешние свойства черной дыры зависят исключительно от ее массы, вращения (спина) и электрического заряда.

Обнаружение волос на черных дырах может предоставить способ объединить наблюдения черных дыр с фундаментальной физикой, а также позволить человечеству исследовать теорию струн и квантовую гравитацию совершенно новыми способами. Возможно, это помогло бы найти точки соприкосновения между ОТО и квантовой физикой.

Однако до сих пор у ученых нет четких доказательств ни правдивости, ни опровержения теоремы. Поэтому исследователям приходится искать также другие пути.

Международная группа физиков из десяти стран во главе с Майклом Крамером из Института радиоастрономии Макса Планка провела, наверное, самую тщательную проверку ОТО на сегодняшний день. Они проанализировали наблюдения системы двойных пульсаров, сделанные семью разными радиотелескопами по всему миру с 2003 по 2019 год. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.

«Нам нужно найти способ проверить теорию Эйнштейна на промежуточном уровне, чтобы понять, будет ли она верна и там. Нам повезло — космическая лаборатория в виде двойного пульсара, обнаруженная с помощью телескопа Паркса в 2003 году, идеально подходит для этого», — говорит Дик Манчестер, один из авторов исследования.

«Нам нужно было найти способы проверить теорию Эйнштейна на промежуточном уровне, чтобы увидеть, верна ли она по-прежнему. К счастью, именно та космическая лаборатория, известная как двойной пульсар, была обнаружена с помощью телескопа Паркса в 2003 году.

Ученые утверждают, что теория Эйнштейна, которую тот предложил, когда ни о существовании подобных типов звезд, ни о методах, которые используются для их изучения, не существовало, согласуется с наблюдениями, которые они проводили на протяжении 16 лет, на 99,99%.

Пульсары — это нейтронные звезды, которые вращаются на огромной скорости и испускают электромагнитное излучение из своих магнитных полюсов. На самом деле эти лучи не прерываются, однако они «пульсируют», поскольку их свет виден только когда полюс звезды направлен в сторону наблюдателя — в данном случае, Земли.

Нейтронные звезды — чрезвычайно плотные объекты. Исследуемая пара оказалась не исключением — несмотря на то, что одна из них всего 24 километра в поперечнике, каждая из них примерно на 30% массивнее Солнца. «Это позволило нам проверить множество различных предсказаний общей теории относительности — сразу семь», — отмечает Манчестер.

Один из исследуемых пульсаров вращается вокруг своей оси 44 раза в секунду; второму на один оборот требуется 2,8 секунды. Обе звезды вращаются вокруг общего центра масс каждые 147 минут и двигаются со скоростью около 1 млн км/ч — по прогнозам они должны столкнуться через 85 млн лет.

Их вращение вызывает рябь в пространстве-времени — гравитационные волны. Из-за этого (гравитационные волны уносят энергию звезд в космос) за сутки система сжимается приблизительно на 7 мм, что согласуется с предсказанием ОТО.

Ученые отмечают, что для дополнительной проверки теорий Эйнштейна им нужно было понимать расстояние этих звезд до Земли. Данные с телескопов, а также большое количество расчетов показали, что свету требуется около 2400 лет, чтобы достичь Земли — достаточно небольшое расстояние для космоса.

Все семь прогнозов Общей теории относительности, подтвердились. Это не является доказательством того, что ОТО является единственно верной трактовкой законов физики — скорее это говорит лишь о том, что мы до сих пор не можем найти те из них, что опровергали бы теорию Эйнштейна.

«Важно и дальше проводить самые строгие проверки Общей теории относительности, насколько это возможно, чтобы выяснить, как и когда теория рушится», — говорит Роберт Фердман, еще один автор исследования. Он уверен, что любое отклонение от ОТО, которое мы когда-нибудь зафиксируем, станет «окном в новую физику, выходящую за рамки нашего нынешнего теоретического понимания Вселенной». Таким образом мы приблизимся к созданию единой теории фундаментальных сил природы.