Теория гравитации Эйнтейна выжила, а остальные нет

[redcat14]

Эйнштейн оказался прав — во всяком случае, на сегодняшний день

Необычный пульсар позволил провести новую проверку общей теории относительности

С помощью Очень Большого Телескопа ESO (VLT) и целого ряда радиотелескопов по всему миру астрономы обнаружили и исследовали весьма необычную двойную звездную систему, которая состоит из самой массивной из известных на сегодня нейтронных звезд и обращающегося вокруг нее белого карлика. Эта странная парочка позволяет выполнить проверку теории гравитации Эйнштейна (ее еще называют общей теорией относительности) способами, которыми до сих пор это сделать было невозможно. Пока новые наблюдения в точности согласуются с предсказаниями общей теории относительности и не укладываются в альтернативные теории. Эти результаты появятся выпуске журнала «Science» от 26 апреля 2013 года.

Международная группа астрономов зарегистрировала экзотический двойной объект, состоящий из необычно массивной нейтронной звезды, которая вращается с частотой 25 оборотов в секунду, и белого карлика, облетающего вокруг нее за два с половиной часа. Нейтронная звезда является пульсаром, то есть излучает пульсирующие радиоволны, принимаемые радиотелескопами на Земле. Хотя эта необычная двойная звезда очень интересна и сама по себе, она к тому же представляет собой уникальную лабораторию, в которой можно тестировать физические теории.

Пульсар, который имеет обозначение PSR J0348+0432, является остатком взрыва сверхновой. Он вдвое тяжелее Солнца, но поперечник его всего 20 километров. Сила тяжести на его поверхности более, чем в 300 миллиардов раз превышает силу земного притяжения, а в его центре в кубике объемом с кусочек сахара помещается больше миллиарда тонн вещества. Звезда-компаньон, белый карлик, менее экзотичен; это тускло светящийся остаток гораздо более легкой звезды, которая потеряла свою атмосферу и медленно остывает.

“Я наблюдал эту систему с телескопом ESO VLT в поисках переменности светового излучения белого карлика, вызванной его орбитальным движением вокруг пульсара”, — говорит Джон Антониадис (John Antoniadis), аспирант Института радиоастрономии Макса Планка (MPIfR) в Бонне, основной автор статьи. “Прикидки, выполненные прямо на месте, показали, что этот пульсар – настоящий тяжеловес. Он оказался вдвое тяжелее Солнца, и, значит, является самой массивной известной нам нейтронной звездой. А еще это великолепная лаборатория фундаментальной физики”.

Общая теория относительности Эйнштейна, которая объясняет тяготение кривизной пространства-времени, созданной присутствием масс и энергий, с тех пор, как она почти сто лет назад была опубликована, подтверждалась всеми экспериментальными проверками. И все же в этой теории обнаруживаются глубокие противоречия [1].

Физики разработали несколько других теорий гравитации, предсказания которых отличаются от тех, которые дает общая теория относительности. Для некоторых альтернативных теорий различия между ними и теорией Эйнштейна могли бы проявиться только в крайне сильных гравитационных полях, найти которые в Солнечной системе невозможно. В этом отношении PSR J0348+0432 является поистине экстремальным объектом, даже в сравнении с другими пульсарами, которые уже использовались для точного тестирования Эйнштейновской общей теории относительности [2]. В столь сильных гравитационных полях малый прирост массы может вызвать большие изменения пространственно-временной структуры вокруг таких объектов. До сих пор астрономы не представляли себе, что могло бы происходить в окрестностях столь массивной нейтронной звезды, как PSR J0348+0432. Ее открытие, таким образом, дает уникальную возможность перенести тестирование гравитационных теорий на новую почву.

Исследователи скомбинировали наблюдения белого карлика, выполненные на VLT, и высокоточную регистрацию времен прихода импульсов от пульсара радиотелескопами [3]. Столь тесная двойная система должна терять энергию, излучая гравитационные волны, а это в свою очередь должно вызывать очень малые изменения орбитального периода системы. Эти-то изменения и получаются несколько различными в общей теории относительности и в конкурирующих с ней теориях.

“Наши радионаблюдения оказались такими точными, что мы смогли измерить изменения орбитального периода величиной в 8 миллионных долей секунды в год, что полностью соответствует предсказаниям теории Эйнштейна”, — сообщает Пауло Фрейре (Paulo Freire), один из исследователей.

Но это только начало детального изучения найденного уникального объекта. Со временем астрономы будут использовать его для проверки общей теории относительности с еще более высокой точностью.

Примечания
[1] Общая теория относительности не согласуется с другой великой физической теорией, созданной в XX столетии – с квантовой механикой. Кроме того, при определенных условиях, например, в центре черной дыры, она дает сингулярности – обращение некоторых параметров в бесконечность.

[2] Первый двойной пульсар, PSR B1913+16, был открыт Джозефом Хутоном Тейлором-младшим (Joseph Hooton Taylor, Jr.) и Расселом Халсом (Russell Hulse), получившими за это в 1993 году Нобелевскую премию по физике. Они с высокой точностью измерили изменения свойств этого замечательного объекта и показали, что эти вариации в точности соответствуют потерям энергии на гравитационное излучение, предсказываемое общей теорией относительности.

[3] В работе использованы данные, полученные на радиотелескопах в Эффельсберге, Аресибо и Грин Бэнк, а также с оптическими телескопами: Очень Большим Телескопом ESO (VLT) и телескопом Вильяма Гершеля.

[VladimirKalitvianski]

redcat14 в сообщении #715704 писал(а):

“Наши радионаблюдения оказались такими точными, что мы смогли измерить изменения орбитального периода величиной в 8 миллионных долей секунды в год, что полностью соответствует предсказаниям теории Эйнштейна”, — сообщает Пауло Фрейре (Paulo Freire), один из исследователей.

В году 31536000 секунд, изменение в 8*10^-6 секунды в год соответствует крайне маленькому декременту затухания. Что-то не верится, что другие вещи, вовлеченные в расчеты и сравнения, известны с такой или большей точностью.

[Someone]

VladimirKalitvianski в сообщении #715733 писал(а):

В году 31536000 секунд, изменение в 8*10^-6 секунды в год соответствует крайне маленькому декременту затухания. Что-то не верится, что другие вещи, вовлеченные в расчеты и сравнения, известны с такой или большей точностью.

Это кумулятивный эффект, накапливающийся со временем: белый карлик убегает вперёд по сравнению с движением с постоянным периодом. Величина убегания по школьной формуле пропорциональна квадрату времени наблюдения. Вот, например, график величины убегания для другого пульсара.

[VladimirKalitvianski]

Здесь примерно 25 секунд за 25 лет, что не сравнимо больше, чем $8\cdot 10^{-6}$ сек/год.

[Someone]

Во-первых, этот график относится к другому пульсару (PSR B1913+16), во вторых, почему Вы думаете, что одно противоречит другому? Вы считать пробовали?

[graviton]

Знатоки, подскажите область применения ОТО?

[VladimirKalitvianski]

Someone в сообщении #715814 писал(а):

Вы считать пробовали?

Нет, не пробовал. Даже не знаю, как подступиться.

[Someone]

VladimirKalitvianski в сообщении #715824 писал(а):

Нет, не пробовал. Даже не знаю, как подступиться.

Предположим, что период уменьшается с постоянной скоростью. То есть, если в начале оборота период был равен $T$, то в конце он равен $T-\Delta T$, где $\Delta T$ одно и то же для всех периодов. С хорошей точностью можно считать, что первый оборот будет завершён за время $\frac{T+(T-\Delta T)}2=T-\frac{\Delta T}2$, второй - за время $\frac{(T-\Delta T)+(T-2\Delta T)}2=T-\frac{3\Delta T}2$, третий - за время $\frac{(T-2\Delta T)+(T-3\Delta T)}2=T-\frac{5\Delta T}2$, …, $n$-ый - за время $\frac{(T-(n-1)\Delta T)+(T-n\Delta T)}2=T-\frac{(2n-1)\Delta T}2$.
Суммируя, получим, что все $n$ оборотов завершатся за время $nT-\frac{n^2\Delta T}2$, то есть, опережение равно $\frac{n^2\Delta T}2$ единиц времени.
Теперь подставим исходные данные. Что понимают авторы под словом "год" не вполне ясно, их, этих "годов", воз и маленькая тележка, и все разные. Допустим, что это средняя продолжительность года в григорианском календаре, то есть, $31556952$ секунды. Продолжительность орбитального периода равна двум с половиной часам, то есть, $T=9000$ секунд. Число периодов в году равно $n_0=\frac{31556952}{9000}=3506{,}328$. Уменьшение периода за год равно $8\cdot 10^{-6}$ секунды, а за один оборот - $\Delta T=\frac{8\cdot 10^{-6}}{3506{,}328}=2{,}28159\cdot 10^{-9}$ секунды. За $25$ лет будет $n=25\cdot 3506{,}328=87658{,}2$ периода, поэтому опережение равно $8{,}76582$ секунды.
Такой же расчёт для пульсара PSR B1913+16 по данным из Википедии даёт опережение на $26{,}863$ секунды.

[VladimirKalitvianski]

@Someone: Круто!

[anik]

Рёмер в 1676 г. Обнаружил, что движение Ио, крупнейшего спутника Юпитера, совершается не совсем регулярно по времени. Когда Земля удалялась от Юпитера периоды наступления затмения Ио удлинялись, а когда она приближалась к Юпитеру, то периоды наступления затмения сокращались.
Как вы все думаете, изменение периодов обращения белого карлика зависит от направления орбитальной скорости Земли на данный момент года?

[Someone]

anik в сообщении #715905 писал(а):

Как вы все думаете, изменение периодов обращения белого карлика зависит от направления орбитальной скорости Земли на данный момент года?

Этот эффект легко учитывается и не накапливается.

[anik]

Someone в сообщении #715911 писал(а):

Этот эффект легко учитывается и не накапливается.

Что же Вы его не учли в своём расчёте периодов? Период обращения всего два часа, и, даже если допустить, что он строго постоянен, то он не будет постоянен для наблюдателя на Земле, с учётом эффекта Рёмера и времени года наблюдения.
Причём разница в периодах доходит до 17 минут. Это время прохождения светом диаметра орбиты Земли.

[Munin]

graviton в сообщении #715816 писал(а):

Знатоки, подскажите область применения ОТО?

Классические гравитационные системы, до Вселенной включительно.

[graviton]

Munin в сообщении #715949 писал(а):

Классические гравитационные системы, до Вселенной включительно.

А если ближе к грешной Земле? Какие-нить практические приложения...

[Denis Russkih]

graviton

Спутниковая навигация.