Физики использовали данные, полученные в ходе наблюдений за звездой S2 на орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, для проверки локальной пространственной инвариантности — одной из основ теории относительности. Этот принцип утверждает, что результаты физических измерений в условиях свободного падания не зависят от места их проведения. Авторы не смогли обнаружить искомых отклонений, что позволяет установить самые сильные на данный момент ограничения не степень нарушения этого принципа, сообщают авторы в Physical Review Letters.
Общая теория относительности (ОТО) — это доминирующая сегодня в научном мире теория тяготения, предложенная в начале XX века Альбертом Эйнштейном. Она опирается на несколько фундаментальных принципов, справедливость которых необходимо независимо проверять для полной уверенности в правильности всех рассуждений и сравнении ОТО с конкурирующими теориями гравитации. Самым базовым утверждением является слабый принцип эквивалентности. У него существует несколько эквивалентных формулировок, в частности «гравитационная и инертная массы любого тела равны» и «все пробные тела в похожих точках пространства-времени под действием данного гравитационного поля будут испытывать одинаковые ускорения вне зависимости от их свойств, в том числе массы покоя».
На основе слабого принципа эквивалентности формулируются более сложные утверждения, в том числе так называемый принцип эквивалентности Эйнштейна. Он объединяет выполнение трех условий: слабого принципа эквивалентности, а также локальной лоренцевой и пространственной инвариантностей. Локальная лоренц-инвариантность предполагает, что результат локального не связанного с гравитацией эксперимента не зависит от скорости оборудования, а локальная пространственная инвариантность добавляет к этому независимость также и от положения в пространстве-времени. При этом также предполагается, что все эти измерения лишены непосредственного влияния со стороны тяготения, то есть сделаны в условиях свободного падения, а также малых размеров, что позволяет игнорировать приливные силы и вариации гравитационного потенциала.
На данный момент физики провели множество экспериментов в попытке найти отклонения от ее предсказаний и справедливости основополагающих принципов. Такие свидетельства могли бы указать на возможные теоретические направления развития, потому что различные теории гравитации могут отличаться от ОТО в плане совместимости с базовыми принципами. В частности, ученые надеются, что таким образом удастся, по крайней мере, частично разобраться в природе темной материи и темной энергии. Однако такие проверки проводились в слабых полях, например, создаваемых Солнцем или белыми карликами, что значительно ограничивает их возможности, так как в таком случае даже отличие ОТО от механики Ньютона проявляется не очень сильно.
В работе международной коллаборации GRAVITY описываются результаты проверки локальной пространственной инвариантность в наиболее сильных гравитационных полях, когда-либо использованных для подобных измерений. На этот раз астрофизики изучали спектр свет звезды S2 на орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Так как светило находится достаточно близко к черной дыре, то испущенным фотонам приходится преодолевать гравитацию сверхмассивного тела, на что они расходуют энергию — этот эффект называется гравитационным красным смещением. Более того, эллиптическая форма орбиты звезды обеспечивает сближение на различные расстояния. В результате становится возможным измерение гравитационного красного смещения при различных значениях гравитационного потенциала.
В данном случае в случае справедливость локальной пространственной инвариантности означает, что гравитационное красное смещение часов должно зависеть только от изменения гравитационного потенциала. В рамках этой работы ученых конкретно интересовало излучение водорода и гелия, атомы которых являются «часами», то есть системами с периодическими процессами. Исследователи сравнивали относительное изменение частот излучения водорода и гелия в различных точках орбиты вокруг черной дыры. В результате средний показатель оказался равным 2,4×10-2, но ошибки были примерно в два раза больше, что согласуется с нулевым значением, как и должно быть в случае справедливости локальной пространственной инвариантности. Если бы это условие не выполнялось, то частоты излучения водорода и гелия в разных точках орбиты менялись бы несогласованно.
Данная оценка является далеко не самой сильной, так как длительные измерения в солнечной системе с использованием очень стабильных лабораторных источников излучения позволяют достичь большей точности, однако этот результат получен в значительно более сильном гравитационном поле, чем все предыдущие. Также авторы пишут, что к моменту следующего прохождения звездой S2 периботроса (ближайшей к черной дыре точки орбиты) в 2034 году должен начать полноценно работать крупнейший наземный телескоп E-ELT с диаметром главного зеркала 39 метров. Его инструменты позволят наблюдать более подходящие линии излучения с гораздо более высокой точностью, что, по оценкам авторов, сделает оценки приведенным методом примерно в 10000 раз точнее, а это поставит их на один уровень с самыми сильными, полученными на данный момент. Помимо этого, станет доступно детальное наблюдение менее ярких звезд у черной дыры и прямая проверка слабого принципа эквивалентности.
Коллаборация GRAVITY не первый раз использует звезды на орбите сверхмассивной черной дыры для проверки общей теории относительности. В прошлом году назад они представили результаты измерения самого эффекта гравитационного красного смещения. Это стало первой прямой проверкой ОТО вблизи сверхмассивной черной дыры.
По информации https://nplus1.ru/news/2019/03/14/supermassive-black-hole-local-position-invariance
Обозрение "Terra & Comp".
