Более ста лет назад, 29 мая 1919 года, астрономы наблюдали полное солнечное затмение, стремясь проверить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна на практике. По сути, Эйнштейн считал, что пространство и время переплетены в бесконечную «ткань», подобную растянутому покрывалу. Массивный объект, такой как Солнце, своей гравитацией искривляет пространственно-временную ткань, в результате чего свет, проходя мимо Солнца, больше не движется по прямой линии.
Это означает, что видимое положение фоновых звезд на небе вблизи Солнца, в том числе во время солнечного затмения, должно казаться слегка смещенным в отсутствие Солнца, поскольку гравитация Солнца искривляет свет. Но до эксперимента с затмением никто не мог проверить общую теорию относительности Эйнштейна, поскольку иначе нельзя было увидеть звезды вблизи Солнца в дневное время.
Мир праздновал результаты этого эксперимента с затмением — победу Эйнштейна и начало новой эры в нашем понимании Вселенной.
Общая теория относительности имеет множество важных последствий для того, что мы видим в космосе и как мы сегодня совершаем открытия в дальнем космосе. То же самое можно сказать и о несколько более старой теории Эйнштейна — специальной относительности с ее широко известным уравнением E=mc 2 . Вот 10 вещей, которые вытекают из теорий относительности Эйнштейна:
Это изображение, полученное в результате более чем шестилетних наблюдений космического гамма-телескопа НАСА «Ферми», впервые показывает, как выглядит все небо при энергиях от 50 миллиардов (ГэВ) до 2 триллионов электрон-вольт (ТэВ). Для сравнения: энергия видимого света лежит в диапазоне от 2 до 3 электронвольт. Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
1. Всеобщее ограничение скорости
Знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc 2 содержит «c» — скорость света в вакууме. Несмотря на то что свет бывает разным — от радуги цветов, которую видит человек, до радиоволн, передающих данные с космических аппаратов, — Эйнштейн заявил, что весь свет должен подчиняться предельной скорости, равной 186 000 миль (300 000 км) в секунду. Таким образом, даже если две частицы света обладают совершенно разным количеством энергии, они будут двигаться с одинаковой скоростью.
Это было показано экспериментально в космосе. В 2009 году космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» практически в один и тот же момент зафиксировал два фотона, причем один из них обладал энергией в миллион раз большей, чем другой. Оба они пришли из высокоэнергетической области вблизи столкновения двух нейтронных звезд около 7 млрд. лет назад. Нейтронная звезда — это очень плотный остаток взорвавшейся звезды. Если в других теориях предполагалось, что само пространство-время имеет «пенистую» текстуру, которая может замедлять движение более энергичных частиц, то наблюдения Ферми свидетельствуют в пользу Эйнштейна.
Скопление галактик, похоже, образует улыбающееся лицо. Два желто-оранжевых пятна висят на размашистой дуге света. Нижняя, дугообразная галактика имеет характерную форму галактики, подвергшейся гравитационному линзированию — ее свет по пути к нам прошел рядом с массивным объектом, в результате чего он исказился и вытянулся по форме. Credit: ESA/Hubble NASA; Acknowledgment: Джуди Шмидт (geckzilla)
2. Сильное линзирование
Подобно тому, как Солнце искривляет свет далеких звезд, проходящих вблизи него, такой массивный объект, как галактика, искажает свет другого объекта, находящегося на гораздо большем расстоянии. В некоторых случаях это явление может помочь нам открыть новые галактики. Мы говорим, что более близкий объект действует как «линза», как телескоп, открывающий более далекий объект. Целые скопления галактик также могут быть линзованными и действовать как линзы.
Когда линзирующий объект оказывается достаточно близко к более удаленному объекту на небе, мы фактически видим несколько изображений этого далекого объекта. В 1979 году ученые впервые наблюдали двойное изображение квазара — очень яркого объекта в центре галактики, в котором находится сверхмассивная черная дыра, питающаяся диском втекающего газа. Эти видимые копии далекого объекта меняют свою яркость, если меняется исходный объект, но не все сразу, поскольку само пространство искривляется под действием гравитации объекта переднего плана.
Иногда, когда далекий небесный объект точно совмещен с другим объектом, мы видим, как свет изгибается в «кольцо Эйнштейна» или дугу. На этом изображении, полученном с помощью космического телескопа НАСА «Хаббл», размашистая дуга света представляет собой далекую галактику, которая была линзирована и образовала «смайлик» с другими галактиками.
Карта темной материи, составленная по результатам измерений гравитационного линзирования 26 миллионов галактик в рамках программы Dark Energy Survey. Credit: Chihway Chang/Kavli Institute for Cosmological Physics at the University of Chicago/DES Collaboration
3. Слабое линзирование
Когда массивный объект выступает в роли линзы для более далекого объекта, но объекты не выровнены специальным образом относительно нашего взгляда, проецируется только одно изображение далекого объекта. Такое случается гораздо чаще. Гравитация более близкого объекта заставляет фоновый объект выглядеть более крупным и вытянутым, чем он есть на самом деле. Это называется «слабым линзированием».
Слабое линзирование очень важно для изучения некоторых из самых больших тайн Вселенной: темной материи и темной энергии. Темная материя — это невидимый материал, который взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации и удерживает вместе целые галактики и группы галактик, как космический клей. Темная энергия ведет себя как противоположность гравитации, заставляя объекты удаляться друг от друга. Ключевую роль в этой работе будут играть три новые обсерватории — космический аппарат НАСА Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), европейский космический аппарат Euclid с участием НАСА и наземный Большой синоптический телескоп (Large Synoptic Survey Telescope). Наблюдая за искажениями слаболинзированных галактик по всей Вселенной, ученые смогут охарактеризовать эффекты этих загадочных явлений.
Гравитационное линзирование в целом также позволит космическому телескопу NASA James Webb отыскать самые первые звезды и галактики Вселенной.
Когда экзопланета проходит перед более далекой звездой, ее гравитация вызывает искривление траектории звездного света, что в некоторых случаях приводит к кратковременному усилению яркости фоновой звезды при наблюдении в телескоп. Этот эффект иллюстрирует художественная анимация. Это явление гравитационного микролинзирования позволяет ученым искать экзопланеты, которые слишком далеки и темны, чтобы обнаружить их каким-либо другим способом. Credit: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle
4. Микролинзирование
До сих пор мы говорили о том, что гигантские объекты действуют как увеличительные линзы для других гигантских объектов. Но звезды также могут «линзировать» другие звезды, в том числе и звезды с планетами вокруг них. Когда свет от фоновой звезды «линзируется» более близкой звездой на переднем плане, происходит увеличение яркости фоновой звезды. Если вокруг этой звезды на переднем плане вращается планета, то телескопы могут обнаружить дополнительную неровность в свете фоновой звезды, вызванную вращающейся планетой. Такая методика поиска экзопланет — планет вокруг других звезд, кроме нашей, — называется «микролинзированием».
Космический телескоп НАСА «Спитцер» в сотрудничестве с наземными обсерваториями обнаружил планету-«ледышку» с помощью микролинзирования. Если до сих пор с помощью микролинзирования было обнаружено менее 100 подтвержденных планет, то с помощью WFIRST можно найти более 1 000 новых экзопланет.
Это первое изображение черной дыры. С помощью телескопа Event Horizon Telescope ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration
5. Черные дыры
Само существование черных дыр — чрезвычайно плотных объектов, из которых не может выйти свет, — является предсказанием общей теории относительности. Они представляют собой самые экстремальные искажения ткани пространства-времени и особенно известны тем, что их огромная гравитация воздействует на свет странным образом, который может объяснить только теория Эйнштейна.
В 2019 году международная коллаборация Event Horizon Telescope при поддержке Национального научного фонда и других партнеров представила первое изображение горизонта событий черной дыры — границы, определяющей «точку невозврата» черной дыры для близлежащего вещества. Рентгеновская обсерватория НАСА Chandra, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), обсерватория Neil Gehrels Swift и космический телескоп Fermi Gamma-ray Space Telescope скоординированно наблюдали за одной и той же черной дырой, и исследователи все еще анализируют полученные результаты.
В галактике M87, изображение которой получено космическим телескопом НАСА «Спитцер», находится сверхмассивная черная дыра, выбрасывающая в космос две струи вещества со скоростью, близкой к скорости света. На вставке показан крупный план ударных волн, создаваемых двумя струями. Credit: NASA/JPL-Caltech/IPAC
6. Релятивистские струи
На этом снимке, полученном с помощью спутника Spitzer, в инфракрасном свете показана галактика Messier 87 (M87), в центре которой находится сверхмассивная черная дыра. Вокруг черной дыры расположен диск из очень горячего газа, а также две струи вещества, вылетающие в противоположных направлениях. Одна из струй, видимая справа на снимке, направлена почти точно на Землю. Ее повышенная яркость обусловлена излучением света от частиц, летящих к наблюдателю со скоростью, близкой к скорости света, — эффект, называемый «релятивистским лучом». Другая струя, напротив, невидима на всех длинах волн, поскольку движется в сторону от наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света. Детали работы таких струй пока остаются загадочными, и ученые будут продолжать изучать черные дыры в поисках новых подсказок.
На этом рисунке изображен аккреционный диск, окружающий черную дыру, в котором внутренняя область диска прецессирует. «Прецессия» означает, что орбита вещества, окружающего черную дыру, меняет ориентацию вокруг центрального объекта. Credit: ESA/ATG medialab
7. Гравитационный вихрь
Говоря о черных дырах, следует отметить, что их гравитация настолько сильна, что заставляет падающий материал «вихриться» вокруг них. Подобно ложке, размешивающей мед, где мед — это пространство вокруг черной дыры, искажение пространства черной дырой оказывает колебательное воздействие на материал, вращающийся вокруг черной дыры. До недавнего времени это было только теоретическим. Но в 2016 году международная группа ученых с помощью космического аппарата XMM-Newton Европейского космического агентства и ядерного спектроскопического телескопа NUSTAR НАСА объявила о том, что впервые наблюдала признаки колебаний материи. Ученые намерены продолжить изучение этих странных эффектов черных дыр, чтобы еще больше проверить идеи Эйнштейна на практике.
Кстати, это колебание вещества вокруг черной дыры похоже на то, как Эйнштейн объяснял странную орбиту Меркурия. Будучи ближайшей к Солнцу планетой, Меркурий испытывает наибольшее гравитационное притяжение со стороны Солнца, и поэтому ориентация его орбиты медленно вращается вокруг Солнца, создавая колебания.
Усовершенствованный LIGO увидел гравитационные волны от двух черных дыр, слившихся на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли. Это компьютерное моделирование показывает (в замедленном режиме), как это выглядело бы вблизи. Если бы этот фильм воспроизводился в реальном времени, он длился бы около одной трети секунды. Credit: SXS Lensing
8. Гравитационные волны
Гравитационные волны — колебания в пространстве-времени — были предположены Эйнштейном около 100 лет назад, но до недавнего времени не наблюдались. В 2016 году международная коллаборация астрономов, работающих с детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), объявила о знаковом открытии: В ходе этого грандиозного эксперимента был обнаружен едва уловимый сигнал гравитационных волн, которые распространялись в течение 1,3 млрд лет после катаклизмического слияния двух черных дыр. Это открыло новую дверь в область науки, называемую мультимессенджерной астрономией, в которой можно изучать как гравитационные волны, так и свет.
Например, телескопы НАСА совместно измерили свет от слияния двух нейтронных звезд после того, как LIGO обнаружил сигналы гравитационных волн от этого события, о чем было объявлено в 2017 году. Учитывая, что гравитационные волны от этого события были обнаружены всего за 1,7 секунды до гамма-излучения от слияния, после того как обе волны прошли 140 млн световых лет, ученые пришли к выводу, что Эйнштейн был прав в другом: гравитационные волны и световые волны распространяются с одинаковой скоростью.
Как показано на этой иллюстрации, 15 сентября 2017 года «Кассини» погрузился в атмосферу Сатурна. Credit: NASA/JPL-Caltech
9. Солнце задерживает радиосигналы
Космические аппараты для исследования планет также доказали правоту Эйнштейна в отношении общей относительности. Поскольку космические аппараты общаются с Землей с помощью света в виде радиоволн, они предоставляют прекрасную возможность увидеть, как гравитация такого массивного объекта, как Солнце, изменяет путь света.
В 1970 г. Лаборатория реактивного движения НАСА объявила, что Mariner VI и VII, совершившие пролет Марса в 1969 г., провели эксперименты с радиосигналами и тоже согласились с Эйнштейном. Используя сеть глубокого космоса NASA (DSN), оба «Маринера» провели для этого несколько сотен радиоизмерений. Исследователи измеряли время прохождения радиосигналов от антенны DSN в Голдстоуне (Калифорния) до космического аппарата и обратно. Как и предсказывал Эйнштейн, из-за гравитации Солнца общая задержка в пути туда и обратно оказалась значительной. Для Mariner VI максимальная задержка составила 204 микросекунды, что, хотя и меньше одной секунды, но практически полностью соответствует теории Эйнштейна.
В 1979 году с помощью посадочного аппарата «Викинг» был проведен еще более точный эксперимент в этом направлении. А в 2003 году группа ученых с помощью космического аппарата НАСА «Кассини» повторила подобные радиотехнические эксперименты с точностью, в 50 раз превышающей точность «Викинга». Очевидно, что теория Эйнштейна устояла!
Концепция космического аппарата Gravity Probe B. Коллаж изображений был отредактирован для получения готового космического аппарата. Credit: Katherine Stephenson, Stanford University and Lockheed Martin Corporation
10. Доказательство с орбиты Земли
В 2004 году НАСА запустило космический аппарат Gravity Probe B, специально предназначенный для наблюдения за тем, как теория Эйнштейна реализуется на орбите Земли. Согласно теории, Земля, вращающееся тело, должна при вращении растягивать вокруг себя ткань пространства-времени, а также искажать свет своей гравитацией.
Космический аппарат имел четыре гироскопа и указывал на звезду IM Pegasi во время движения по орбите вокруг полюсов Земли. В этом эксперименте, если бы Эйнштейн был не прав, эти гироскопы всегда указывали бы одно и то же направление. Однако в 2011 году ученые объявили, что наблюдали крошечные изменения в направлениях гироскопов, что является следствием того, что Земля из-за своей гравитации затягивает вокруг себя пространство-время.
Глобальная система позиционирования (GPS) — американская космическая радионавигационная система, позволяющая определять трехмерное положение с точностью до метра (например, широту, долготу и высоту над уровнем моря) и обеспечивать наносекундную точность времени в любой точке Земли. Кредит: NASA
Бонус: ваш GPS!
Говоря о временных задержках, следует отметить, что GPS (система глобального позиционирования) в вашем телефоне или автомобиле опирается на теории Эйнштейна для обеспечения точности. Для того чтобы знать, где вы находитесь, вам нужен приемник — например, ваш телефон, наземная станция и сеть спутников, вращающихся вокруг Земли для передачи и приема сигналов. Но согласно общей теории относительности, из-за того, что земная гравитация искривляет пространство-время, на спутниках время движется несколько быстрее, чем на Земле. В то же время согласно специальной теории относительности время для объектов, которые движутся гораздо быстрее других, движется медленнее.
Вычислив суммарный эффект этих сил, ученые обнаружили, что часы на спутниках всегда идут с небольшим опережением земных часов. И хотя разница в сутках составляет миллионные доли секунды, это изменение реально. Если бы в технологию GPS не была заложена теория относительности, то ваш телефон вел бы вас за много километров от вашего пути!
