Теория относительности Эйнштейна наблюдается в далеких звездах

Что общего у Альберта Эйнштейна, глобальной системы позиционирования (GPS) и пары звёзд в 29 000 световых лет от Земли?

Ответ заключается в эффекте Общей теории относительности Эйнштейна, называемом «гравитационное красное смещение», когда свет смещается в более красные цвета из-за силы тяжести. Используя рентгеновскую обсерваторию Чандра, астрономы обнаружили явление в двух звездах, вращающихся вокруг друг друга в нашей галактике на расстоянии около 29 000 световых лет (200 000 триллионов миль) от Земли. Хотя эти звезды очень далеки, гравитационное красное смещение оказывает ощутимое влияние на современную жизнь, поскольку ученые и инженеры должны принимать их во внимание, чтобы обеспечить точное положение для GPS.

Хотя ученые обнаружили неопровержимые доказательства гравитационных красных смещений в Солнечной системе, было сложно наблюдать их в более далеких объектах в космосе. Новые результаты Чандры убедительно свидетельствуют о действии эффектов гравитационного красного смещения в новой космической обстановке.

Интригующая система 4U 1916-053 содержит две звезды на удивительно близкой орбите. Одна из них - это ядро ??звезды, без внешних слоёв, в результате чего остается звезда, которая намного плотнее Солнца. Другая - нейтронная звезда, еще более плотный объект, созданный, когда массивная звезда коллапсирует в результате взрыва сверхновой. Нейтронная звезда (серая) показана на оттиске художника в центре диска горячего газа, оторвавшегося от своего компаньона (белая звезда слева).

Эти две компактные звезды находятся всего в 215 000 миль друг от друга, что примерно равно расстоянию между Землей и Луной. Пока Луна обращается вокруг нашей планеты один раз в месяц, плотная звезда-компаньон в 4U 1916-053 вращается вокруг нейтронной звезды и совершает полный оборот всего за 50 минут.

В новой работе над 4U 1916-053 команда проанализировала рентгеновские спектры, то есть количество рентгеновских лучей на разных длинах волн, с Чандрой. Они обнаружили характерный признак поглощения рентгеновского света железом и кремнием в спектрах. В трех отдельных наблюдениях с Чандрой данные показывают резкое падение обнаруженного количества рентгеновских лучей, близких к длинам волн, на которых атомы железа или кремния, как ожидается, будут поглощать рентгеновские лучи. Один из спектров поглощения железа (провалы слева и справа) включен в основной график. На дополнительном графике показан спектр поглощения кремнием. В обоих спектрах данные показаны серым цветом, а компьютерная модель - красным.

Длины волн этих характерных признаков железа и кремния были сдвинуты в сторону более длинных или более красных длин волн по сравнению с лабораторными значениями, найденными на Земле (показаны синей вертикальной линией для каждого признака поглощения). Исследователи обнаружили, что сдвиг характеристик поглощения был одинаковым в каждом из трех наблюдений Чандры, и что он слишком большой, чтобы его можно было объяснить движением от нас. Вместо этого они пришли к выводу, что это было вызвано гравитационным красным смещением.

Как это связано с Общей теорией относительности и GPS? Согласно теории Эйнштейна, часы под действием силы тяжести бегут медленнее, чем часы, наблюдаемые из отдаленной области, испытывающей более слабую гравитацию. Это означает, что часы на Земле, наблюдаемые с орбитальных спутников, идут медленнее. Для обеспечения высокой точности, необходимой для GPS, этот эффект необходимо учитывать, иначе будут небольшие различия во времени, которые быстро накапливаются, вычисляя неточные позиции.

На все виды света, включая рентгеновские лучи, также влияет сила тяжести. Можно провести аналогию с человеком, который поднимается по спускающемуся эскалатору. При этом человек теряет больше энергии, чем если бы эскалатор был неподвижен или поднимался вверх. Сила тяжести оказывает аналогичное влияние на свет, когда потеря энергии дает более низкую частоту. Поскольку свет в вакууме всегда распространяется с одинаковой скоростью, потеря энергии и более низкая частота означают, что свет, включая признаки железа и кремния, смещается в сторону более длинных волн.

Это первое убедительное свидетельство того, что сигнатуры поглощения смещаются в сторону более длинных волн под действием гравитации в паре звезд, у которых есть либо нейтронная звезда, либо черная дыра. Серьезные доказательства гравитационных красных смещений поглощения ранее наблюдались с поверхности белых карликов, при этом сдвиги длин волн обычно составляют лишь около 15% от таковых для 4U 1916-053.

По словам ученых, газовая атмосфера, покрывающая диск рядом с нейтронной звездой (показана синим цветом), поглощала рентгеновские лучи, давая такие результаты. (Эта атмосфера не связана с выпуклостью красного газа во внешней части диска, которая блокирует свет от внутренней части диска один раз за орбиту.) Размер сдвига в спектрах позволил команде вычислить, насколько далеко эта атмосфера находится вдали от нейтронной звезды, используя Общую теорию относительности и принимая стандартную массу нейтронной звезды. Они обнаружили, что атмосфера расположена в 1500 милях от нейтронной звезды, что эквивалентно только 0,7% расстояния от нейтронной звезды до спутника. Вероятно, она простирается на несколько сотен миль от нейтронной звезды.

В двух из трех спектров также есть свидетельства того, что сигнатуры поглощения были смещены в сторону еще более красных длин волн, что соответствует расстоянию всего 0,04% от расстояния от нейтронной звезды до спутника. Но эти сигнатуры обнаруживаются с меньшей уверенностью, чем сигнатуры, расположенные дальше от нейтронной звезды.

Ученым было предоставлено дополнительное время для наблюдения за Чандрой в следующем году, чтобы изучить эту систему более подробно.

Документ, описывающий эти результаты, был опубликован в выпуске Astrophysical Journal от 10 августа 2020 года.