Изображение предоставлено: NRAO
Теоретически Эйнштейн теоретизировал в течение почти столетия, что физики нашли доказательства в поддержку теории о том, что сила гравитации движется со скоростью света. Изменения в том, как изгибалось изображение квазара, объясняли эту скорость гравитации.
Воспользовавшись редким космическим выравниванием, ученые провели первое измерение скорости, с которой распространяется сила тяжести, дав числовое значение одной из последних неизмеренных фундаментальных констант физики.
«Ньютон думал, что сила гравитации была мгновенной. Эйнштейн предположил, что он двигался со скоростью света, но до сих пор его никто не измерял », - сказал Сергей Копейкин, физик из университета Миссури-Колумбия.
«Мы определили, что скорость распространения гравитации равна скорости света с точностью до 20 процентов», - сказал Эд Фомалонт, астроном Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния. Ученые представили свои результаты на встрече Американского астрономического общества в Сиэтле, штат Вашингтон.
Измерение ориентира важно для физиков, работающих над объединенными теориями поля, которые пытаются объединить физику элементарных частиц с общей теорией относительности Эйнштейна и электромагнитной теорией.
«Наше измерение накладывает серьезные ограничения на теории, предлагающие дополнительные измерения, такие как теория суперструн и теории Бран», - сказал Копейкин. «Знание скорости гравитации может обеспечить важную проверку существования и компактности этих дополнительных измерений», - добавил он.
Теория суперструн предполагает, что фундаментальные частицы природы являются не точечными, а невероятно маленькими петлями или струнами, свойства которых определяются различными режимами вибрации. Браны (слово, полученное из мембран) являются многомерными поверхностями, и некоторые современные физические теории предлагают пространственно-временные браны, встроенные в пять измерений.
Ученые использовали очень длинную базовую матрицу (VLBA) Национального научного фонда, систему радиотелескопа, охватывающую весь континент, и 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге, Германия, чтобы сделать чрезвычайно точное наблюдение, когда планета Юпитер проходила почти в перед ярким квазаром 8 сентября 2002 года.
Наблюдение зафиксировало очень слабый «изгиб» радиоволн, исходящих от фонового квазара под действием гравитационного эффекта Юпитера. Изгиб привел к небольшому изменению видимого положения квазара на небе.
«Поскольку Юпитер движется вокруг Солнца, точная величина изгиба немного зависит от скорости, с которой гравитация распространяется от Юпитера», - сказал Копейкин.
Ученые утверждают, что Юпитер, самая большая планета в Солнечной системе, проходит достаточно близко к пути радиоволн от достаточно яркого квазара примерно раз в десять лет для проведения такого измерения.
Небесное выравнивание раз в десятилетие было последним в цепи событий, которые сделали возможным измерение скорости гравитации. Другие включали в себя случайную встречу двух ученых в 1996 году, прорыв в теоретической физике и разработку специализированных методов, которые позволили сделать чрезвычайно точные измерения.
«Раньше никто не пытался измерить скорость гравитации, потому что большинство физиков предполагали, что единственный способ сделать это - обнаружить гравитационные волны», - вспоминает Копейкин. Однако в 1999 году Копейкин расширил теорию Эйнштейна, включив в нее гравитационное воздействие движущегося тела на свет и радиоволны. Эффекты зависели от скорости гравитации. Он понял, что если Юпитер приблизится почти к звезде или радиоисточнику, он сможет проверить свою теорию.
Копейкин изучил прогнозируемую орбиту Юпитера в течение следующих 30 лет и обнаружил, что планета-гигант пройдет достаточно близко перед квазаром J0842 + 1835 в 2002 году. Однако он быстро понял, что влияние на видимое положение квазара в небе объясняется скорость гравитации была бы настолько мала, что единственной методикой наблюдений, способной измерить ее, была интерферометрия с очень длинной базой (VLBI), метод, воплощенный в VLBA. Затем Копейкин связался с Фомалонтом, ведущим экспертом VLBI и опытным наблюдателем VLBA.
«Я сразу понял важность эксперимента, который мог бы сделать первое измерение фундаментальной постоянной природы», - сказал Фомалонт. «Я решил, что мы должны сделать это как можно лучше», - добавил он.
Чтобы получить требуемый уровень точности, два ученых добавили телескоп Эффельсберга к своим наблюдениям. Чем шире расстояние между двумя антеннами радиотелескопа, тем больше достижима разрешающая способность или способность видеть мелкие детали. VLBA включает антенны на Гавайях, в континентальной части США и в Сент-Круа на Карибах. Антенна на другой стороне Атлантики добавила еще больше разрешающей способности.
«Мы должны были сделать измерение примерно в три раза больше точности, чем кто-либо когда-либо делал, но мы в принципе знали, что это можно сделать», - сказал Фомалонт. Ученые проверили и усовершенствовали свои методы в «пробных прогонах», а затем подождали, пока Юпитер пролетит перед квазаром.
Ожидание включало в себя значительное грызение ногтей. Отказ оборудования, плохая погода или электромагнитная буря на самом Юпитере могли саботировать наблюдение. Однако удача удалась, и наблюдения ученых на радиочастоте 8 Гигагерц дали достаточно хороших данных для их измерения. Они достигли точности, равной ширине человеческого волоса, видимого на расстоянии 250 миль.
«Нашей главной целью было исключить бесконечную скорость гравитации, и мы сделали еще лучше. Теперь мы знаем, что скорость гравитации, вероятно, равна скорости света, и мы можем уверенно исключить любую скорость гравитации, которая в два раза больше скорости света », - сказал Фомалонт.
По словам Копейкина, большинство ученых будут рады, что скорость гравитации соответствует скорости света. «Я считаю, что этот эксперимент проливает новый свет на основы общей теории относительности и представляет собой первое из многих других исследований и наблюдений гравитации, которые в настоящее время возможны из-за чрезвычайно высокой точности VLBI. Нам еще многое предстоит узнать об этой интригующей космической силе и ее связи с другими силами в природе », - сказал Копейкин.
Это не первый случай, когда Юпитер играет роль в измерении фундаментальной физической постоянной. В 1675 году Олаф Рёмер, датский астроном, работавший в Парижской обсерватории, сделал первое достаточно точное определение скорости света, наблюдая затмения одного из спутников Юпитера.
Источник: пресс-релиз НРАО
