Увлечение пространства-времени впервые измерили у звезд

Астрономы обнаружили первую звездную систему, в которой удалось выделить прецессию Лензе — Тирринга (изменение наклона оси вращения тела, вызванное эффектами общей теории относительности). Открытие удалось сделать в редкой двойной системе из пульсара и белого карлика: регулярные импульсы от нейтронной звезды позволили с высокой точностью измерить параметры ее движения, на которое оказывает влияние быстрое вращение белого карлика. Результаты опубликованы в журнале Science.

Современная теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна — предсказывает ряд новых эффектов в случае тел больших масс, а также их интенсивных движений. Одно из таких явлений называется эффектом Лензе — Тирринга (ЭЛТ) или увлечением инерциальных систем отсчета, оно связано с быстрым вращением массивного тела. В таком случае помимо обусловленного искривлением пространства-времени притяжения на пробное тело действует дополнительная сила, называемая гравимагнитной, которая приводит к изменению плоскости орбиты объекта.

С одной стороны, ЭЛТ помогает объяснять некоторые наблюдаемые особенности активных черных дыр, например, раскачивание их джетов. С другой, столь далекие объекты невозможно исследовать в деталях, поэтому нельзя быть полностью уверенными, что возникающее явление не обусловлено иными причинами. Экспериментальная проверка ЭЛТ входила в задачи таких искусственных спутников Земли, как LAGEOS и Gravity Probe B, и, хотя их измерения в целом подтверждают ОТО, существуют сомнения в точности оценок увлечения систем отсчета.

Потенциально можно измерить ЭЛТ и в астрономических наблюдениях, но для этого необходимо найти подходящие объекты. Искомая система должна быть тесной парой массивных гравитационно-связанных тел, причем параметры их движения необходимо независимо вычислять с высокой точностью. Помимо дополнительного подтверждения относительно измерений на спутниках, астрономические данные позволяют тестировать предсказания ОТО в режиме сильного поля, то есть когда релятивистские эффекты нельзя рассматривать как малые поправки к гравитации Ньютона, в то время как в случае орбиты Земли — можно.

Астрономы под руководством Мэтью Бейлеса (Matthew Bailes) из Технологического университета Суинберна представили результаты анализа двадцатилетних наблюдений за системой PSR J1141-6545 — одной из двух известных двойных систем из пульсара и белого карлика, но единственной тесной. Измерения радиоимпульсов от пульсара позволили с высокой точностью определить параметры его орбиты, которые оказались изменяющимися во времени. Результаты моделирования показали, что соответствия наблюдений можно добиться только в случае включения влияния эффекта Лензе — Тирринга со стороны белого карлика на орбиту пульсара.

Сразу несколько особенностей делают систему PSR J1141-6545 уникальной, благодаря чему и стало доступно новое измерение. Помимо уже упомянутых факторов, объекты в ней эволюционировали нестандартным образом: обычно в двойной сперва превращается более массивная звезда в компактный объект (пульсар в данном случае), а затем то же происходит с менее массивной. В PSR J1141-6545 все произошло наоборот, из-за чего перед рождающим пульсар взрывом сверхновой на уже появившийся белый карлик перетекла значительная часть расширившейся оболочки компаньона. В результате белый карлик получил дополнительный момент импульса и стал вращаться очень быстро по меркам подобных тел.

Сравнение времени прихода импульсов нейтронной звезды с показаниями атомных часов позволили определять орбиту объекта с точностью до тридцати километров на протяжении почти двух десятков лет. Анализ собранных данных позволил выделить смещение положения примерно на 150 километров относительно ожидаемого. Вычисления с учетом ЭЛТ позволили объяснить это различие с высокой точностью. Определенная величина ЭЛТ позволяет вычислить скорость вращения белого карлика, который слишком тусклый для непосредственного измерения. Оказалось, что период вращения составляет менее 200 секунд.

Эффекта Лензе — Тирринга часто применяется для описания экстремальных астрофизических объектов, таких как вращающиеся сверхмассивные черные дыры. Ранее другой эффект ОТО использовали для предсказания полувека радиомолчания двойного пульсара. Также пульсары используют для проверки законов физики, в том числе самой ОТО: например, их приспособили для поиска несоответствий инертной и гравитационной массы.

Тимур Кешелава