Меню

А если поменять метрики?

Перехитрить Альберта Эйнштейна стало еще сложнее. Более 100 лет назад знаменитый физик опубликовал свое революционное объяснение гравитации, известное как общая теория относительности (ОТО). На тот момент, впрочем, как и сегодня, теория успешно объясняет все, от орбит планет до искривления звездного излучения.

Тем не менее, некоторые физики пытались изобрести теории, которые решают головоломки, неподвластные ОТО, - например, недоступность для измерения темной материи, гравитационно связывающей галактики (как предполагается).

Первое прямое изображение черной дыры, опубликованное в прошлом году, воспинимается новым жестким испытанием для всех теорий гравитации. Как академических, так и альтернативных.

В 1915 году Эйнштейн предположил, что гравитация возникает из-за того, что массивные тела, такие, как Земля, искажают пространство и время. Это искривленное пространство-время, в свою очередь, вызывает искривление траектории свободно падающего объекта, в результате чего возникает, к примеру, параболическая дуга пушечного ядра на Земле или эллиптическая орбита Луны.

Первая фотография черной дыры

В 1930-х годах ученые обнаружили другое проявление ОТО: если достаточно массивная звезда истратит все свое «топливо», ее ядро схлопывается до бесконечно малой точки, не оставив после себя ничего, кроме самоподдерживающегося гравитационного поля - черной дыры, так как даже свет не может выскользнуть за ее границ. Или до состояния нейтронной звезды, как было доказано в недавнем исследовании

Только в прошлом году люди впервые увидели черную дыру напрямую. Предполагаемый объект создан не одной коллапсирующей звездой, а, предположительно, образовался в результате слияния множества черных дыр. Он прячется в центре галактики, находящейся на расстоянии 53 миллионов световых лет от нас, и весит в 65 миллиардов раз больше, чем Солнце. Чтобы его изучить, команда из более чем 180 астрономов и астрофизиков скоординировала работу радиотушек по всему миру - так появился телескоп Event Horizon (EHT).

Изображение в искусственных цветах выглядит так, как должно: огненное кольцо, окружающее чернильно-черную точку. Свечение исходит от горячего газа, который кружится вокруг объекта; в центре расположена «тень», отбрасываемая черной дырой. Пепрвоначальная оценка размеров тени подтвердила наблюдения.

В то же время изображение ЧД не использовалось для проверки других теорий гравитации, поскольку у астрономов не было простого способа вычислить, насколько большой должна быть тень, если «работает» альтернативная теория гравитации. Иными словами, размеры, масса и даже внешний вид объекта, - это, скорее, предположение, математическая модель, вытекающая из базовых положений ОТО, чем результат практического наблюдения, а тем более измерения.

Теперь же астрофизики ищут способ проверить собственные измерения. Сделать это можно как за счет привлечения альтернативных теорий, так и за счет расширения теории Эйнштейна, - скажем, путем более точного описания того, как материя и энергия деформируют пространство-время.

Проблема, как выяснилось, состоит в том, что не каждая такая теория производит метрику, по крайней мере, относительно гипотетических объектов, а без математических выражений не померишь ни искривленного пространства-времени, ни даже обычного расстояния от точки А до точки В.

Предлагаемую метрику можно приблизительно записать как интеграл более мелких математических паттернов.

Первый хорошо известен и с его помощью уже столетие делаются предсказания в рамках «традиционного» ОТО.

Вторая группа переменных (формул) вытекает из экспериментов в нашей Солнечной системе. Речь идет о первой «постньютоновской» правке, приближенной к нулю.

Методология предполагает, что если правильно «запишется» математика, описывающая черную дыру, размер тени будет определяться искомой постньютоновской поправкой. Таким образом, чтобы проверить альтернативную концепцию гравитации, теоретикам нужно вычислить значение, которое она предсказывает для второго постньютоновского параметра. Если значение выходит за пределы определенного диапазона и противоречит размерам тени (ранее полученному результату) , теория считается опровергнутой. Предел возможной ошибки был снижен в 500 раз.

Удивительно, что размер тени контролируется одним параметром, - утверждает Илья Мендель, астрофизик-теоретик из Университета Монаша в Клейтоне. По его словам, существует некая комбинация из 23 параметров, которые определяют размер тени, и их невероятно сложно разделить.

Но полезность теста может быть ограничена, - сомневается Эмануэль Берти, теоретик гравитации из Университета Джона Хопкинса, - поскольку у теоретиков нет достаточного количества жизнеспособных альтернатив принятой теории гравитации. По его логике, сложно придумать альтернативу, достаточно сильно отличимую от ОТО, чтобы ее можно было протестировать, но в то же время совместить с уже имеющимся данными.

Исследователи говорят, что более многообещающим кажется сравнение измерения конкретного параметра с измерениями, полученными из другого источника гравитации: слияния меньших черных дыр или гравитационные волны.

«Все, кто проводит испытание гравитационных теорий, пытаются говорить на языке постньютоновских параметров, чтобы мы могли провести сравнение», - говорит Лия Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований. Если предлагаемые метрики будут верифицированы, то эйнштейновская теория гравитации окажется частным случаем более общей теории.

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2021-02-26 Раздел:Астрономия