Общую теорию относительности подтвердили на галактических масштабах

Астрономы из Великобритании и Германии подтвердили, что Общая теория относительности хорошо работает не только в масштабах Солнечной системы, но и на расстояниях около 6,5 тысячи световых лет.

Для этого ученые использовали данные спектральных измерений и гравитационного линзирования на галактике ESO 325-G004, а затем рассчитали параметр γ, который описывает отклонения от ОТО. В результате ученые получили значение γ = 0,97 ± 0,09, которое отлично согласуется с теорией Эйнштейна. Статья опубликована в Science, сообщает N+1.

Общая теория относительности (ОТО) утверждает, что масса — а если точнее, энергия, — искривляет пространство-время. Поскольку фотоны всегда распространяются по кратчайшему пути, это приводит к тому, что около массивных объектов лучи света искажаются и фокусируются. Если искривление пространства-времени достаточно велико, изображение фонового источника расщепляется на несколько изображений, а в случае сферически симметричного линзирующего объекта равномерно «размазывается» вдоль кольца, называемого кольцом Эйнштейна. По аналогии с обычными линзами, в которых лучи света искривляются за счет изменения показателя преломления, астрономы называют этот эффект сильным гравитационным линзированием. При этом радиус кольца Эйнштейна определяется массой линзирующего объекта, силой притяжения, которую создает единичная масса, и расстоянием между объектами и Землей.

В пределе слабого гравитационного поля метрика искривленного пространства-времени определяется двумя потенциалами — ньютоновским потенциалом Φ, который описывает замедление времени, и потенциалом кривизны Ψ, отвечающим за искажение только пространственной части. В ОТО оба этих потенциала совпадают. Тем не менее, во многих альтернативных теориях гравитации, которые пытаются объяснить природу темной энергии или объединить Стандартную модель и ОТО, отношение γ = Ψ/Φ зависит от расстояния до гравитирующего объекта. Поэтому важно точно измерить это соотношение на различных масштабах, чтобы подтвердить или опровергнуть альтернативные теории.

На масштабах Солнечной системы Общая теория относительности сравнительно хорошо проверена. Так, измерения времени прохождения радиосигналов, отправляемых с зонда «Кассини» и проходящих поблизости от Солнца, дают величину γ = 1 ± 2×10−5. Тем не менее, измерения на масштабах от 10 до 100 магапарсек ограничивают отклонение γ от единицы всего 20 процентами, а на бо́льших масштабах ограничения еще слабее. Как правило, такая низкая точность связана с высокой систематической погрешностью измерения скорости звезд, которая нужна для численных расчетов искривления метрики. Например, в последней работе китайских ученых, проанализировавших около 80 гравитационных линз, статистическая погрешность результата составила всего четыре процента, тогда как систематическая доходила до 25 процентов.

В новой статье группа ученых под руководством Томаса Колетта (Thomas Collett) значительно улучшила точность измерения γ на масштабах порядка тысячи парсек. Для этого они воспользовались сильным гравитационным линзированием на галактике ESO 325-G004, удаленной от Земли на расстояние порядка 140 мегапарсек (456,6 миллиона световых лет) — наблюдения с помощью телескопа «Хаббл» показали, что вокруг галактики возникает кольцо Эйнштейна радиусом около двух килопарсек (6,52 тысяч световых лет). Из-за сравнительно небольшого радиуса кольца при линзировании можно не учитывать влияние темной материи. Кроме того, благодаря близости галактики можно не только измерить радиус кольца, но и подробно исследовать его внутреннюю структуру.

Именно это помогло ученым уменьшить погрешность γ. Измерив спектры звезд в галактике с помощью спектрометра телескопа VLA, астрономы рассчитали их скорости и построили такую модель, которая одинаково хорошо описывала как данные «Хаббла», так и данные VLA. Для повышения исследователи включили в модель 20 параметров, таких как распределение массы внутри галактики, размер гало темной материи, угол наклона галактики к плоскости наблюдений — и, разумеется, параметр γ. Затем ученые определили с помощью численного моделирования (методом Монте-Карло), при каких значениях параметров модель лучше всего согласуется с данными наблюдений. Оказалось, что для этого должно быть γ = 0,98 ± 0,02, то есть статистическая погрешность составляет около двух процентов. При учете систематических погрешностей, возникающих из-за использования конкретной библиотеки для сопоставления спектральных данных со скоростью звезд, недостаточно точного знания параметра Хаббла, погрешность параметра γ выросла до девяти процентов: γ = 0,97 ± 0,09. Тем не менее, на данный момент это самое точное значение параметра на масштабах около двух тысяч парсек — и оно отлично согласуется с Общей теорией относительности, исключая альтернативные теории гравитации.

Общая теория относительности подтверждена сотнями независимых экспериментов. Например, в феврале этого года группа ученых из США, Китая и Германии показала, что метрика сверхмассивной черной дыры из галактики 1H0707-495 практически идеально совпадает с метрикой Керра, предсказанной ОТО. В июне 2017 года телескоп «Хаббл» повторил классический эксперимент Эддингтона и показал, что свет далекой звезды искривляется при транзите белого карлика Stein 2051 B, в точности совпадая с предсказаниями теории. А в мае 2016 года японские астрономы впервые проверили законы ОТО на расстоянии около 13 миллиардов световых лет от Земли — и снова не нашли никаких отклонений.

Источник