Тесты общей теории относительности

редактировать
Научные эксперименты

Тесты общей теории относительности Наблюдения за наблюдениями в пользу общей теории относительности. Первые три теста, предложенные Альбертом Эйнштейном в 1915 году, касались «аномальной» прецессии перигелия Меркурия, изгиба света в гравитационных полях и гравитационном красном смещении. О прецессии Меркурия уже было известно; эксперименты, показывающие искривление света в соответствии с предсказаниями общей теории относительности, были сделаны в 1919 году и в тестах были сделаны все точные измерения; Согласно утверждениям, утверждают, что измерили теорию, не проводились до 1954 года. Более точная программа, начатая в 1959 году, проверяла общую теорию относительности в пределе слабого гравитационного поля, строго ограничивая возможные отклонения от теории.

В 1970-х годах ученые начали проводить дополнительные испытания, начав с измерения Ирвином Шапиро релятивистской задержки времени прохождения радиолокационного сигнала вблизи Солнца. Начиная с 1974 года Халс, Тейлор и другие изучали поведение двойных пульсаров, испытывающих гораздо более сильные гравитационные поля, чем те, что обнаружены в Солнечной системе. Как в пределе слабого поля (как в Солнечной системе), так и с более сильными полями, присутствующими в системах двойных пульсаров, предсказания общей теории относительности были хорошо проверены.

В феврале 2016 года команда Advanced LIGO объявила, что они непосредственно проявили гравитационные волны от слияния черных дыр. Проверило общую теорию относительности в пределе очень сильного поля, не обнаружено на сегодняшний день отклонений от теории.

Содержание

  • 1 Классические тесты
    • 1.1 Прецессия перигелия Меркурия
    • 1.2 Отклонение света Солнцем
    • 1.3 Гравитационное красное смещение света
    • 1.4 Тесты специальной теории относительности
  • 2 Современные тесты
    • 2.1 Постньютоновские тесты гравитации
    • 2.2 Гравитационное линзирование
    • 2.3 Тестирование задержки времени прохождения света
    • 2.4 Принцип эквивалентности
      • 2.4.1 Гравитационное красное смещение
    • 2.5 Тесты перетаскивания кадра
    • 2.6 Испытания гравитационного потенциала на малых пространствах
  • 3 Испытания сильного поля
    • 3.1 Двойные пульсары
    • 3.2 Прямое обнаружение гравитационных волн
    • 3.3 Прямое наблюдение черной дыры
    • 3.4 Гравитационное красное смещение и орбита прецессия звезды в сильном гравитационном поле
    • 3.5 Принцип строгой эквивалентности
    • 3.6 Рентгеновская спектроскопия
  • 4 Космологические тесты
    • 4.1 Гравитационное линзирование
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
    • 6.1 Примечания
    • 6.2 Другие исследовательские работы
    • 6.3 Учебники
    • 6.4 Статьи Living Reviews
  • 7 Внешние ссылки

Классические тесты

Альберт Эйнштейн используя три критерия общей теории относительности, имеют названные «классическими тестами» общей теории относительности, в 1916 году:

  1. прецессия перигелия орбиты Меркурия
  2. отклонение света Солнце
  3. гравитационное красное смещение света

В письме в The Times (из Лондона) 28 ноября 1919 г., он описал теорию относительности и поблагодарил своих английских коллег за понимание и проверку его работы. Он также представил три классических теста с комментариями:

«Главная привлекательность теории заключается в ее логической полноте. Если хотя бы один из выводов, сделанных на ее основе, сделанным неверным, от него нужно отказаться; чтобы изменить его, не разрушая вся структура кажется невозможной. "

Прецессия перигелия Меркурия

Транзит Меркурия 8 ноября 2006 г. с пятнами # 921, 922 и 923 Прецессия перигелия Меркурия

Согласно ньютоновской физике, система двух тел, состоящая из одиночного объекта, вращающегося вокруг сферической массы, будет образовывать эллипс с центром масс системы в фокус. Точка наибольшего сближения, называемая периапсисом (или Основными причинами других планет, которые возмущают <50, является центральным телом Солнечной системы является фиксированной. Другой (гораздо менее значительный) эффект - это воздействие.

Меркурия, которое отклоняется от прецессии, предсказанной на основе этих ньютоновских эффектов, эта аномальная скорость прецессии перигелия орбиты Меркурия была впервые признана в 1859 году. г. проблема небесно й механики Урбеном Леверье. Его повторный анализ временных наблюдений прохождения Меркурия по диску Солнца с 1697 по 1848 год показал, что фактическая скорость прецессии расходуется с предсказанной теорией Ньютона на 38 ″ (угловых секунд ) на тропических. столетие (позже переоценено в 43 ″ Саймоном Ньюкомом в 1882 году). Был предложен ряд специальных и в итоге безуспешных решений, но они, как правило, порождали больше проблем.

В общей теории относительности оставшаяся прецессия или изменение ориентации орбитального эллипса в пределах его орбитальной плоскости объясняется гравитацией, опосредованной кривизной пространства-времени. Эйнштейн показывает, что общая теория относительности хорошо согласуется с наблюдаемой величиной перигелия. Это был мощный фактор, мотивировавший принятие общей теории относительности.

Хотя раньше измерения планетных орбитов проводились с использованием обычных телескопов, теперь более точные измерения выполняются с помощью радара. Полная наблюдаемая прецессия Меркурия составляет 574,10 ″ ± 0,65 за столетие по отношению к инерциальной ICRF. Эту прецессию можно объяснить причинами:

Источники прецессии перигелия Меркурия
Количество (угловые секунды / юлианский век)Причина
532.3035Гравитационные буксиры других солнечных тел
0,0286Сплющенность Солнца (квадрупольный момент )
42.9799Гравитоэлектрические эффекты (подобное Шварцшильду), эффект общей теории относительности
- 0,0020Прецессия Линзы - Тирринга
575,31Прогнозируемая общая
574,10 ± 0,65Наблюдаемая

Поправка на 42,980 ± 0,001 ″ / цикл соответствует 3/2 классического прогнозирования с Предметы PPN γ = β = 1 {\ displaystyle \ gamma = \ beta = 1}{\ displaystyle \ gamma = \ beta = 1} . Таким образом, эффект можно полностью объяснить с помощью общей теории относительности.

В общей теории относительности перигелия σ, выраженный в радианах на оборот, рассчитанный показатель ется следующим образом:

σ = 24 π 3 L 2 T 2 c 2 (1 - e 2), {\ displa ystyle \ sigma = {\ frac {24 \ pi ^ {3} L ^ {2}} { T ^ {2} c ^ {2} (1-e ^ {2})}} \,}{\ displaystyle \ sigma = {\ frac {24 \ pi ^ {3} L ^ {2}} {T ^ {2} c ^ {2} (1-е ^ {2})}} \,}

где L - большая полуось, T - период обращения, c - скорость света, а e - эксцентриситет орбиты (см.: Задача двух тел в общей теории относительности ).

Другие планеты также испытывают сдвиги перигелия, но поскольку они находятся дальше от Солнца и имеют более длительные периоды, их сдвиги ниже, и их нельзя было наблюдать намного позже, чем у Меркурия. Например, смещение перигелия орбиты Земли в соответствии с общей теорией относительности составляет 3,83868 дюймов в столетие и экспериментально 3,8387 ± 0,0004 дюймов в сутки, у Венеры - 8,62473 дюймов в сутки и 8,6247 ± 0,0005 дюймов в сутки, а у Марса - 1,351 ± 0,001 дюймов в сутки cy. Оба значения были измерены, и результаты хорошо согласуются с теорией. Сдвиг периапсиса теперь также измерен для двойных пульсарных систем, при этом PSR 1913 + 16 составляет 4,2 ° в год. Эти наблюдения согласуются с общей теорией относительности. Также возможно измерить смещение перицентра в двойных звездных системах, которые не содержат сверхплотных звезд, но сложнее точно смоделировать классические эффекты - например, необходимо выравнивание вращения звезд относительно плоскости их орбиты. установить и трудно измерить напрямую. Несколько систем, таких как Д.И. Геркулис, были проверены как тестовые примеры для общей теории относительности.

Отклонение света Солнцем

Одна из фотографий Эддингтона эксперимента 1919 года по солнечному затмению, представленных в его статье 1920 года, в которой говорится об его успехе

Генри Кавендиш в 1784 году (в неопубликованной рукописи) и Иоганн Георг фон Зольднер в 1801 году (опубликовано в 1804 году) Указали, что ньютоновская гравитация предсказывает, что звездный свет будет огибать массивный объект. То же значение, что и у Сольднера, было вычислено Эйнштейном в 1911 году только на основе принципа эквивалентности. Эйнштейн заметил в 1915 году в процессе завершения общей теории относительности, что его результат 1911 года (и, следовательно, результат Зольднера 1801 года) составляет половину правильного значения. Эйнштейн первым, кто рассчитал правильное значение изгиба света: 1,75 угловых секунд для света, падающего на Солнце.

Первое наблюдение за отклонением света было выполнено путем наблюдения за изменением положения звезды, когда они проходили около Солнца на >сфере. Наблюдения проводились Артуром Эддингтоном и его сотрудниками (см. эксперимент Эддингтона ) во время полного солнечного затмения 29 мая 1919, когда звезды около Солнца (в то время в созвездии) Телец ) можно было наблюдать. Наблюдения производились одновременно в городах Собрал, Сеара, Бразилия, и Сан-Томе и Принсипи на западном побережье Африки. Результат был признан впечатляющей новостью и попал на первые программы международных газет. Это сделало Эйнштейна и его общую теорию относительности всемирно известной. На вопрос его помощника, какова была его реакция, если общая теория относительности не была подтверждена Эддингтоном и Дайсоном в 1919 году, Эйнштейн сделал известную шутку: «Тогда мне было бы жаль дорогого Господа. Теория в любом случае верна ». 11>

Однако ранняя точность была плохой. Некоторые утверждают, что результаты страдают от систематической ошибки и, возможно, систематической ошибки подтверждения, хотя современный повторный анализ набора данных предполагает, что анализ Эддингтона был точным. Измерение было повторено командой из Обсерватории Лика во время затмения 1922 года, которые совпадали с результатами 1919 года, и с тех пор повторялись несколько раз, особенно в 1953 году. 29>Обсерватория Йеркса, а в 1973 г. - группа из Техасского университета. Значительная неопределенность оставалась в этих измерениях в течение почти пятидесяти лет, пока не начали проводиться наблюдения на радиочастотах. В то время как Солнце находится слишком близко, кольцо Эйнштейна может находиться вне его короны, такое кольцо, образованное отклонением света от далеких галактик, наблюдалось у ближайшей звезды.

Гравитационное воздействие. красное смещение

Гравитационное красное смещение световой волны, когда она движется вверх против гравитационного поля (вызванного желтой звездой внизу).

Эйнштейн предсказал гравитационное красное смещение света от принцип эквивалентности в 1907 году, и было предсказано, что этот эффект может быть измерен в спектральных линиях звезды белого карлика, которая имеет очень сильное гравитационное поле. Первые меры измерить гравитационное красочное смещение материала Сириуса-B были предприняты Уолтером Сиднеем Адамсом в 1925 году, но результат раскритиковали как непригодный для использования из-за загрязнения от света. от (намного яркой) главной звезды Сириус. Первое точное измерение гравитационного красного смещения белого карлика было сделано Поппером в 1954 году, он измерил гравитационное красное смещение 21 км / сек 40 Эридани B.

. Красное смещение Сириуса B было наконец измерено Гринштейном и др. в 1971 году, получив значение гравитационного красного с территории 89 ± 19 км / сек, более точные измерения космического телескопа Хаббла показала 80,4 ± 4,8 км / сек.

Тесты специальной теории относительности

Общая теория относительности включает в себя специальную теорию относительности Эйнштейна, и, следовательно, проверка специальной теории относительности также проверяет аспекты общей теории относительности. Как следствие принципа эквивалентности, лоренц-инвариантность сохраняется локально в не отсекающихся, свободно падающих системчета. Эксперименты, связанные со специальной теорией относительности лоренц-инвариантности (то есть, когда гравитационными эффектами можно пренебречь), преимущества в Тестах специальной теории относительности.

Современные тесты

. степени по инициативе Дике и Шиффа, которые разработали основу для проверки общей теории относительности. Тесты, которые принципиально важны в теории гравитации, встречаются в общей теории относительности. Другие теоретические разработки включали создание альтернативных теорий общей теории относительности, в частности, скалярно-тензорных теорий, таких как теория Бранса - Дикке ; параметризованный постньютоновский формализм, в котором отклонения от общей теории относительности могут быть решаемы; и структура принципа эквивалентности.

Экспериментально, новые разработки в исследовании космоса, электронике и физике конденсированного состояния сделали возможными дополнительные точные эксперименты, такие как эксперимент Паунда - Ребки, лазерная интерферометрия и определения определения до Луны.

Постньютоновские испытания силы тяжести

Ранние проверки общей теории относительности затруднялись из-за отсутствия жизнеспособных конкурентов теории: Было неясно, какие тесты выделят его среди конкурентов. Общая теория относительности была единственной известной релятивистской теорией гравитации, совместимая со специальной теорией относительности и наблюдениями. Более того, это очень простая и элегантная теория. Ситуация изменилась с введением теории Бранса - Дикке в 1960 году. Эта теория, возможно, проще, поскольку она не содержит размерных констант и совместима с версией принципа Маха. и Дирака гипотеза больших чисел, две философские идеи, оказавшие влияние на историю теории относительности. В конечном итоге, это привело к разработке параметризованного постньютоновского формализма авторами Нордведта и Уилла, параметризует с точки зрения десяти регулируемых параметров все возможные отклонения от закона всемирного тяготения Ньютона до первого порядка по скорости движущихся объектов (т.е. до первого порядка по v / c {\ displaystyle v / c}v / c , где v - скорость объекта c - скорость света). Это приближение позволяет систематически анализировать возможные отклонения от общей теории относительности для медленно движущихся объектов в слабых гравитационных полях. Было много усилий для ограничения постньютоновских параметров, и отклонения от общей теории относительности в настоящее время ограничены.

Эксперименты по проверке гравитационного линзирования и временной задержки света ограничивают один и тот же постньютоновский параметр, так называемый параметр Эддингтона γ, представляет собой прямую параметризацию величины отклонения света гравитационным получателем. Он единице для общей теории относительности и принимает разные значения в других теориях (например, в теории Бранса - Дике). Он является наиболее ограниченным из десяти постньютоновских параметров, но есть и другие эксперименты, предназначенные для ограничения других. Точные наблюдения за смещением перигелия Меркурия ограничивают другие параметры, как и тесты строгого принципа эквивалентности.

Одна из целей миссии BepiColombo на Меркурий - проверить общую теорию относительности путем измерения параметров гамма и бета параметризованного постньютоновского формализма с высокой точностью. Эксперимент часть радио Научного эксперимента по орбитального аппарата Меркурия (БОЛЬШЕ). Космический аппарат был запущен в октябрь 2018 года и, как ожидается, выйдет на орбиту вокруг Меркурия в декабре 2025 года.

Гравитационное линзирование

Одним из наиболее важных испытаний является гравитационное линзирование. Это наблюдалось в далеких астрофизических источниках, но они плохо управляют, и неясно, как они ограничивают общую теорию относительности. Наиболее точные тесты эксперимента Эддингтона 1919 года: они показывают отклонение Солнцем от удаленного источника. Наиболее точно анализируемыми источниками являются далекие радиоисточники. В частности, некоторые квазары являются очень сильными радиоисточниками. Направленное разрешение любого телескопа в принципе ограничено дифракцией; для радиотелескопов это также практический предел. Важное улучшение в достижении высокой точности позиционирования (от милли-дуговых до микродуговых секунд) было получено путем объединения радиотелескопов, расположенных по всей Земле. Методика называется интерферометрией с очень длинной базой (РСДБ). С помощью этого метода радионаблюдения объединяют информацию о фазе радиосигнала, наблюдаемого в телескопы, разнесенные на большие расстояния. Недавно эти телескопы измерили отклонение радиоволн Солнцем с чрезвычайно высокой точностью, подтвердив величину отклонения, предсказанную аспектом общей теории относительности, на уровне 0,03%. На этом уровне точности систематические эффекты должны быть тщательно приняты во внимание, чтобы определить точное местоположение телескопов на Земле. Некоторые важные эффекты - это нутация Земли, вращение, атмосферная рефракция, тектоническое смещение и приливные волны. Другой важный эффект - преломление радиоволн солнечной короной. К счастью, этот эффект имеет характерный спектр, тогда как гравитационное искажение не зависит от длины волны. Таким образом, тщательный анализ с использованием измерений на нескольких частотах может устранить этот источник ошибки.

Все небо слегка искажено из-за гравитационного отклонения света, вызванного Солнцем (за исключением направления против Солнца). Этот эффект наблюдался астрометрическим спутником Европейского космического агентства Hipparcos. Он измерил положение около 10 звезд. Во время полной миссии было определено примерно 3,5 × 10 относительных положений, каждое с точностью обычно 3 миллисекунды дуги (точность для звезды 8–9 величины). Поскольку отклонение гравитации перпендикулярно направлению Земля – Солнце составляет уже 4,07 миллисекунды дуги, поправки необходимы практически для всех звезд. Без систематических эффектов погрешность отдельного наблюдения в 3 миллисекунды дуги может быть уменьшена на квадратный корень из числа позиций, что дает точность 0,0016 миллисекунды. Однако систематические эффекты ограничивают точность определения до 0,3% (Froeschlé, 1997).

Запущенный в 2013 году космический корабль Gaia проведет учет одного миллиарда звезд в Млечном Пути и определит их положение с точностью. 24 микросекунды. Таким образом, он также обеспечит новые строгие тесты на гравитационное отклонение света, вызванное Солнцем, которое было предсказано общей теорией относительности.

Тестирование задержки времени прохождения света

Ирвин И. Шапиро предложил другой тест, помимо классических тестов, который можно было бы проводить в Солнечной системе. Иногда его называют четвертым «классическим» тестом общей теории относительности. Он предсказал релятивистскую временную задержку (задержка Шапиро ) в пути туда и обратно для радиолокационных сигналов, отражающихся от других планет. Простая кривизна пути фотона, проходящего околоСолнце, слишком мала, чтобы получить наблюдаемый эффект задержки (когда время прохождения туда и обратно сравнивается со временем, чтобы фотон шел по прямому пути), но общая теория относительности предсказывает временную задержку, которая становится все больше, когда фотон приближается к Солнцу из-за замедления времени в гравитационном потенциале Солнца. Наблюдение радиолокационных отражений от Меркурия и Венеры непосредственно перед и после их затмения Солнцем согласуется с теорией относительности на уровне 5%. Совсем недавно зонд Кассини провел аналогичный эксперимент, который дал с общей теорией относительности на уровне 0,002%. Однако следующие подробные исследования показали, что измеренное значение гамма PPN влияет на гравитомагнитный эффект, вызванный орбитальным движением Солнца вокруг барицентра солнечной системы. Гравитомагнитный эффект в радионаучном эксперименте Cassini был неявно постулирован Б. Беротти как имеющий чисто общерелятивистское происхождение, но его теоретическое значение никогда не проверялось в эксперименте, что фактически делает экспериментальную неопределенность измеренного значения гамма на самом деле больше (в 10 раз), чем 0,002%, заявленное Б. Беротти и соавторами в Nature.

Интерферометрия со сверхдлинной базой измеряла зависящие от скорости (гравитомагнитные) поправки к временной задержке Шапиро в поле движущихся Юпитера и Сатурна.

Принцип эквивалентности

Эквивалентность Принцип в его простейшей утверждает, что траектории падающих тел в гравитационном поле не должны зависеть от их массы и внутренней структуры, при условии, что они достаточно малы, чтобы не мешать окружающей среде и не подвергаться воздействию приливных сил. Эта идея была проверена с максимальной высокой точностью экспериментами с торсионными весами Этвёша, в ищется разное ускорение между двумя тестовыми массами. Ограничения на это и на существование зависимой от состава пятой силы или гравитационного взаимодействия Юкавы очень сильны и обсуждаются в разделах пятая сила и принцип слабой эквивалентности.

Версия принципа эквивалентности, называемая принцип сильной эквивалентности утверждает, что самогравитационные падающие тела, такие как звезды планеты или черные дыры (которые все удерживаются вместе с их гравитационному притяжению), должны следовать те же траектории в гравитационном поле при выполнении тех же условий. Это называется эффектом Нордтведта и наиболее точно проверяется в рамках эксперимента по локации лунного лазера. С 1969 года он непрерывно измерял расстояние от нескольких дальномерных станций на Земле до отражателей на Луне с точностью до сантиметра. Это сильно ограничило некоторые другие постньютоновские параметры.

Другая часть строгого принципа эквивалентности - требование, чтобы гравитационная постоянная Ньютона была во времени и одинаковое значение во всей Вселенной. Существует множество независимых наблюдений, ограничивающие возможные вариации гравитационной постоянной Ньютона, но одно из лучших результатов исходит из лунных дальномеров, которые предполагают, что гравитационная постоянная не изменяется более чем на одну часть из 10 в год. Постоянство других констант обсуждается в разделе Принцип эквивалентности Эйнштейна статьи о принципе эквивалентности.

Гравитационное красное смещение

Первый из рассмотренных выше классических тестов, гравитационное красное смещение, является простым следствием принципа эквивалентности Эйнштейна и был предсказанный Эйнштейном в 1907 году. По сути, это не проверка общей теории относительности в том же смысле, что и постньютоновские тесты, потому что любая теория гравитации, подчиняющаяся принципу эквивалентности, должна также быть в себя гравитационное красное смещение. Тем не менее, обеспечение существования эффекта было важным обоснованием релятивистской гравитации. Первым наблюдением гравитационного красного смещения было измерение сдвига спектральных линий от белого карлика звезды Сириус B, проведенное Адамсом в 1925 году, обсуждавшееся выше, и последующие измерения другие белые карлики. Однако из-за сложности астрофизических измерений экспериментальная проверка с использованием известного земного источника предпочтительнее.

Экспериментальная проверка гравитационного излучения красного площади с использованием источников света заняла несколько десятилетий, потому что трудно найти часы (для измерения замедления времени ) или источники электромагнитного излучения (для измерения красного смещения) с оценкой это известно достаточно хорошо, чтобы можно было точно измерить эффект. Это впервые было экспериментально подтверждено в 1959 году с помощью измерений изменения длины волны гамма-фотонов, генерируемых с помощью эффекта Мессбауэра, который генерирует излучение с очень узкой шириной линии. В эксперименте Паунда-Ребки измеряется относительное красное смещение двух источников, наверху и внизу башни Джефферсона Гарвардского университета. Результат полностью соответствовал общей теории относительности. Это был один из первых прецизионных экспериментов по проверке общей теории относительности. Позже Паунд и Снайдер улучшили эксперимент до уровня выше 1%.

Синее смещение падающего фотона можно найти, предположить, что его масса эквивалентна его частоте E = hf {\ displaystyle E = hf}E = hf (где h - постоянная Планка ) вместе с E = mc 2 {\ displaystyle E = mc ^ {2}}E = mc ^ {2} , особый результат теории относительности. Такие простые выводы игнорируют тот факт, что в общей теории относительности эксперимент сравнивает тактовые частоты, а не энергии. Другими словами, «более высокая энергия» фотона после его падения может быть эквивалентно приписана более медленному бегу часов глубже в гравитационной потенциальной яме. Чтобы полностью подтвердить общую теорию относительности, важно также показать. Очень точный эксперимент по гравитационному красному смещению, посвященный этой проблеме, был проведен в 1976 году, когда водородные мазерные часы на ракете были запущены на высоту 10 000 км, и их скорость по сравнению с такими же часами на земле. Он проверил гравитационное красное смещение до 0,007%.

Хотя Глобальная система позиционирования (GPS) не предназначена для проверки фундаментальной физики, она должна учитывать гравитационное красное смещение в своей системе измерения времени, и физики проанализировали данные времени из GPS для подтверждения других тестов. Когда был запущен первый спутник, некоторые инженеры сопротивлялись предсказанию, что замедление времени, первый спутник был запущен без корректировки часов, которая позже была встроена в последующие спутники. Он показал прогнозируемый сдвиг в 38 микросекунд в день. Такого расхождения достаточно, чтобы плохая оценка работы GPS в течение нескольких лет. Прекрасный отчет о роли общей теории относительности в создании GPS можно найти в Ashby 2003.

Другие прецизионные тесты общей теории относительности, не обсуждаемые здесь, - это Gravity Probe A спутник, запущенный в 1976 году Способность синхронизировать скорость вращения центральной массы и эксперимент Хафеле - Китинга, в котором атомные часы используются в кругосветном движении самолета для проверки общей теории относительности и относительности вместе.

Тесты перетаскивания кадра

Спутник LAGEOS-1. (D = 60 см)

Испытания прецессии Линзы - Тирринга, состоящей из небольших вековых прецессий орбиты пробной частицы, движущейся вокруг центрального вращения массы, например, планеты или звезды, было выполнено с помощью спутников LAGEOS, но многие их аспекты остаются спорными. Тот же эффект мог быть обнаружен в космическом корабле Mars Global Surveyor (MGS), бывшего зонда на орбите Марса ; тоже такой тест вызвал дискуссию. Недавно были опубликованы первые ошибки эффект линзы-Тирринга Солнца на перигелии внутренние планет. Перетаскивание кадра могло бы вызвать прецессию орбитальной плоскости звезд, вращающихся около сверхмассивной черной дыры вокруг оси вращения черной дыры. Этот эффект должен быть обнаружен в течение следующих нескольких лет с помощью астрометрического мониторинга звезд в центре галактики Млечный Путь. Сравнивая скорость орбитальной прецессии двух звезд на разных орбитах, можно в принципе проверить теоремы без волос общей теории относительности.

Gravity Probe B, запущенный в 2004 г. и проработавший до 2005 г., обнаружил перетаскивание кадра и геодезический эффект. В эксперименте использовались четыре кварцевых шара размером с шарик для пинг-понга, покрытые сверхпроводником. Анализ данных продолжался в течение 2011 года из-за высокого уровня шума и трудностей с точным моделированием шума, чтобы можно было найти полезный сигнал. Ведущие исследователи из Стэнфордского университета 4 мая 2011 г. сообщили, что они точно измерили эффект увлечения кадра относительно далекой звезды И.М. Пегаси, и расчеты оказались в соответствии с предсказанием теории Эйнштейна. Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, измеряли геодезический эффект с погрешностью около 0,2 процента. Результаты показали, что эффект перетаскивания кадра (вызванного вращением Земли) составил 37 миллисекунд с погрешностью около 19 процентов. Следователь Фрэнсис Эверитт объяснил, что миллисекунда дуги «соответствует ширине человеческого волоса, видимого с расстояния 10 миль».

В январе 2012 года спутник LARES был запущен с помощью аппарата Vega. ракета для измерения эффект Ленс - Тирринга с точностью около 1%, по мнению ее сторонников. Эта оценка фактической получаемой точности является предметом споров.

Испытания гравитационного положения на малых расстояниях

Можно продолжить ли гравитационный потенциал закону обратных квадратов при очень больших расстояниях. небольшие расстояния. До сих пор тесты были сосредоточены на отклонении от ОТО в виде дополнительных Юкавы V (r) = V 0 (1 + α e - r / λ) {\ displaystyle V (r) = V_ { 0} \ left (1+ \ alpha e ^ {- r / \ lambda} \ right)}{\ displaystyle V (r) = V_ {0} \ left (1+ \ alpha e ^ {- r / \ lambda } \ right)} , но никаких доказательств наличия такого наличия не найдено. Потенциал Юкавы с α = 1 {\ displaystyle \ alpha = 1}\ альфа = 1 был исключен до λ = 5.6 × 10-5 {\ displaystyle \ lambda = 5.6 \ times 10 ^ {- 5 }}{\ displaystyle \ lambda = 5.6 \ times 10 ^ {- 5}} m.

Испытания сильного поля

Очень сильные гравитационные поля, которые присутствуют вблизи черных дыр, особенно те сверхмассивные черные дыры, которые, как считается, имеют силу активные галактические ядра и более активные квазары относятся к области интенсивных активных исследований. Наблюдения этих квазаров и активных ядер галактик затруднены, и интерпретация наблюдений в значительной степени зависит от астрофизических моделей, отличных от общей теории относительности или конкурирующих фундаментальных теорий гравитации, но они качественно согласуются с концепцией черной дыры как моделируется в общей теории относительности.

Двоичные пульсары

Пульсары - это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые при вращении излучают регулярные радиоимпульсы. По сути, они действуют как часы, позволяющие очень точно отслеживать их орбитальные движения. Наблюдения пульсаров на орбите вокруг других звезд продемонстрировали существенные прецессии периапсиса, которые не могут быть объяснены классически, но могут быть объяснены с помощью общей теории относительности. Например, двойной пульсар Халса – Тейлора PSR B1913 + 16 (пара нейтронных звезд, в которой одна обнаруживается как пульсар) имеет наблюдаемую прецессию более 4 ° дуги. в год (смещение периастра на орбиту всего около 10). Эта прецессия использовалась для вычисления масс компонентов.

Подобно тому, как атомы и молекулы излучают электромагнитное излучение, гравитирующая масса, которая находится в квадрупольной вибрации типа или более высокого порядка, или является асимметричной и вращающейся, может излучать гравитационные волны. Предполагается, что эти гравитационные волны распространяются со скоростью скорости света. Например, планеты, вращающиеся вокруг Солнца, постоянно теряют энергию из-за гравитационного излучения, но этот эффект настолько мал, что маловероятно, что он будет наблюдаться в ближайшем будущем (Земля излучает около 200 Вт (см. гравитационные волны ) гравитационное излучение).

Излучение гравитационных волн было выведено из двойной системы Халса – Тейлора (и других двойных пульсаров). Точная синхронизация импульсов показывает, что звезды вращаются по орбите только приблизительно в соответствии с законами Кеплера : с течением времени они постепенно спиралевидно движутся по направлению друг к другу, демонстрируя потерю энергии в близком соответствии с предсказанной излучаемой энергией. гравитационными волнами. За открытие первого двойного пульсара и измерение его орбитального распада из-за излучения гравитационных волн Халс и Тейлор выиграли Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

A " двойной пульсар, открытый в 2003 г., PSR J0737-3039, имеет прецессию периастра 16,90 ° в год; в отличие от двойной системы Халса – Тейлора, обе нейтронные звезды обнаруживаются как пульсары, что позволяет точно определить время обоих членов системы. Благодаря этому, узкой орбите, тому факту, что система находится почти с ребра, и очень низкой поперечной скорости системы, как видно с Земли, J0737−3039 безусловно, лучшую систему для сильнопольных тестов общей теории относительности, известную до сих пор. Наблюдаются несколько отчетливых релятивистских эффектов, включая орбитальный распад, как в системе Халса - Тейлора. Подтверждающая предсказание общей теории относительности до 0,05% подтверждающая предсказание общей теории относительности до 0,05% (тем не менее смещение периастра на орбиту составляет всего около 0) 0013% от круг и, следовательно, это не тест относительности более высокого порядка).

В 2013 году международная группа астрономов сообщила новые данные наблюдений за системой пульсар-белый карлик PSR J0348 + 0432, в которые они смогли измерить изменение орбитального периода. 8 миллионов долей секунды в год и подтвердили предсказания ОТО в режиме гравитационных полей, которые ранее не исследовались; но все же есть несколько конкурирующих теорий, которые согласуются с данным данным.

Прямое обнаружение гравитационных волн

Ряд детекторов гравитационных волн был построен с намерением обнаружения гравитационных волн, исходящих от таких астрономических событий, как слияние двух нейтронных звезд или черных дыр. В феврале 2016 г. Команда Advanced LIGO заявила, что непосредственно они представляют гравитационные волны от слияния двойных черных дыр, с дополнительными обнаруженными, объявленными в июне 2016 г. июнь 2017 и август 2017.

Общая теория относительности предсказывает гравитационные волны, как любая теория гравитации, в которой происходит изменение в гравитационном поле распространяются с конечной скоростью. Гравитационные волны можно построить напрямую, их можно использовать для изучения Вселенной. Это гравитационно-волновая астрономия. Гравитационно-волновая астрономия может проверить общую теорию относительности, убедившись, что наблюдаемые волны имеют предсказанную форму (например, что они имеют только две поперечные поляризации), и проверив, что черные дыры являются объектами, описываемыми решениями уравнения поля Эйнштейна. Гравитационно-волновая астрономия также может проверить уравнения поля Максвелла-Эйнштейна. Эта версия поля поля предсказывает, что вращающиеся магнетары (то есть нейтронные звезды с сильным магнитным дипольным полем) должны излучать гравитационные волны. Однако квантовые соображения говорят об обратном и, по-видимому, указывают на конкретную версию поля Эйнштейна. Таким образом, гравита-системно-волновая астрономия местная установка не только для подтверждения существующей теории, но, скорее, может быть, установка для решения, какая версия поля Эйнна верна.

«Эти удивительные наблюдения подтверждением большого количества теоретических работ, включая общую теорию относительности Эйнштейна, которая предсказывает гравитационные волны», - сказал Стивен Хокинг.

Прямое наблюдение черной дыры

Яркое кольцо из материала, которое отмечает окружающую тень сверхмассивной черной дыры M87. Изображение также является ключевым подтверждением общей теории относительности.

Галактика M87 была объектом наблюдения с помощью телескопа горизонта событий (EHT) в 2017 году; выпуск журнала Astrophysical Journal Letters от 10 апреля 2019 г. (том 875, № 1) был посвящен результатам EHT и опубликовал шесть статей открытого доступа. горизонт событий черная дыры в центре M87 был непосредственно помещен на длине волны радиоволн с помощью EHT; изображение было показано на пресс-конференции 10 апреля 2019 года, это первое изображение горизонта событий черной дыры.

Гравитационное красное смещение и прецессия орбиты звезды в сильном гравитационном поле

Гравитационное красное смещение в свете звезды S2, вращающееся вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец A * в центре Млечного Пути, было измерено с помощью Очень Большого телескопа с использованием GRAVITY, NACO и инструментов SIFONI. Кроме того, в настоящее время обнаружена прецессия Шварцшильда на орбите звезды S2 около массивной черной дыры в центре Галактики.

Сильный принцип эквивалентности

Сильный принцип эквивалентности общей теории относительности, чтобы универсальность свободного падения применялась даже к телам с сильной самогравитацией. Прямые испытания этого принципа с использованием тел Солнечной системы ограничены слабой самогравитацией, испытания с двойными системами пульсар - белый карлик был ограничен слабым гравитационным притяжением Млечного Пути. С открытием тройной звездной системы под названием PSR J0337 + 1715, расположенной примерно в 4200 световых годах от Земли, принцип эквивалентности может быть проверен с высокой точностью. Эта система содержит нейтронную звезду на 1,6-дневной орбите с звездой белого карлика и пару на 327-дневной орбите с другим белым карликом, находящимся дальше. Эта система позволяет провести, в котором сравнивается, как гравитационное притяжение внешнего белого карлика влияет на пульсар, обладающий сильной самогравитацией, и на внутренний белый карлик. Результат показывает, что ближайшего ускорения пульсара ишего к нему карлика-компаньона различаются не более чем на 2,6 × 10.

Рентгеновская спектроскопия

Этот метод основан на идее, что траектории фотонов изменяются в гравитационного тела. Очень распространенная астрофизическая система во Вселенной - это черная дыра, окруженная аккреционным диском. На излучение из общей окрестности, включая аккреционный диск, влияет природа центральной черной дыры. Если предположить, что теория Эйнштейна верна, астрофизические черные дыры описываются метрикой Керра. (Следствие теорем об отсутствии волос.) Таким образом, анализируя излучение таких систем, можно теорию Эйнштейна.

Большая часть излучения этих систем черная дыра - аккреционный диск (например, двойные черные дыры и активные галактические ядра ) приходит в виде рентгеновских лучей. При моделировании излучения раскладывается на несколько составляющих. Проверка теории Эйнштейна возможна с использованием теплового потока (только для двойных черных дыр) и отражения (как для двойных черных дыр, так и для активных ядер галактик). Ожидается, что первое не будет создавать серьезных ограничений, тогда как второе более многообещающе. В обоих случаях систематические погрешности сделать такие тесты более сложными.

Космологические тесты

Тесты общей теории относительности в самых больших масштабах не так строги, как тесты Солнечной системы. Самым ранним испытанием было предсказание и открытие расширения Вселенной. В 1922 году Александр Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют нестационарные решения (даже при наличии космологической постоянной ). В 1927 году Жорж Лемэтр показал, что статические решения уравнений Эйнштейна, которые возможны при наличии космологической, неустойчивы, и поэтому статическая Вселенная, представленная Эйнштейном, не может существовать (она должна либо расширяться или договор). Лемэтр сделал четкое предсказание, что Вселенная должна расширяться. Он также вывел нарушение закона Хаббла, которое теперь известно как закон Хаббла. Позже, в 1931 году, Эйнштейн сам согласился с результатами Фридмана и Лемэтра. Расширение Вселенной, открытое Эдвином Хабблом в 1929 году, тогда много рассматривалось (и продолжает рассматривать другие сейчас) как прямое подтверждение общей теории относительности. В 1930-е годы во многом благодаря работам Э. А. Милн, было понято, что линейная связь между красным смещением и расстояниями проистекает из общего предположения об однородности и изотропии, а не конкретно из общей теории относительности. Однако предсказание нестатической Вселенной было нетривиальным, действительно драматичным и в первую очередь мотивировано общей теорией относительности.

Некоторые другие космологические тесты включают поиски первичных гравитационных волн, генерируемых во время космической инфляции, который может быть обнаружен в космическом микроволновом фоне поляризации или с помощью предлагаемого космического гравитационно-волнового интерферометра, называемого Big Bang Observer. Гравитационная постоянная гравитации нуклеосинтеза Большого взрыва (с тех пор оно изменилось не более чем на 40%).

В августе 2017 года были опубликованы результаты испытаний, проведенных астрономами с использованием Очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории, других инструментов, и которые положительно применили предсказанные гравитационные эффекты. Альберта Эйнштейна. В одном из тестов наблюдалась орбита звезд, вращающихся вокруг Стрельца A *, черная дыры, которая примерно в 4 миллиона раз массивнее Солнца. Теория Эйнштейна предполагала, что большие объекты искривляют пространство вокруг себя, заставляя другие объекты отклоняться от прямых линий. Хотя предыдущие исследования подтвердили теорию Эйнштейна, это был первый раз, когда его теория была проверена на таком гигантском объекте. Результаты были опубликованы в The Astrophysical Journal.

Гравитационное линзирование

Астрономы с помощью космического телескопа Хаббла и очень большого телескопа провели точные испытания общей теории относительности в галактических масштабах. Соседняя галактика ESO 325-G004 действует как сильная гравитационная линза, создаваемая кольцо Эйнштейна вокруг своего центра. Сравнив массу ESO 325-G004 (по измерениям звезд внутри этой галактики) с кривизным пространством вокруг нее, астрономы появляются, что гравитация ведет себя так, как предсказывает общая теория относительности, на этих астрономических масштабах длины.

См. Также

Ссылки

Примечания

Другие исследовательские работы

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-10 02:39:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте