Общата теория на относителността бе потвърдена в галактически мащаб (видео)

Повече от век, след като Алберт Айнщайн постулира Общата теория на относителността, сега астрономите правят възможно най-точната проверка на теорията на Айнщайн извън Слънчевата система с помощта на космическия телескоп "Хъбъл" и телескопа Very Large Telescope (VLT).

Изследователите използват данни и спектрални измервания на гравитационната леща на галактиката ESO 325-G004, а след това изчисляват параметъра γ, който описва отклонението от Общата теория на относителността.

В резултат на това учените получават отклонение само 9%, което се съгласува добре с теорията на Айнщайн и за първи път с такава точност за такива разстояния.

Статията е публикувана в Science.

Общата теория на относителността (ОТО) твърди, че масата, по-точно, енергията, изкривява пространство-времето. Тъй като фотоните винаги се разпространяват по най-късия път, в близост до масивни обекти светлинните лъчи се изкривяват и фокусират. Ако кривината на пространство-времето е достатъчно голяма, фоновото изображение на източника се разделя на няколко изображения, както и в случай на сферично симетрична леща обектът равномерно "се размазва" във форма, наречена Айнщайнов пръстен.

Радиусът на Айнщайновия пръстен се определя от масата на обекта - леща, силата на привличане, която създава единица маса, и разстоянието между обектите и Земята.

^{Гравитационният ефект върху отдалечените звездообразуваща галактика. Кредит: ESO}

В границите на слабото гравитационно поле, метриката на изкривеното пространство-време се определя от два потенциала - Нютоновия потенциал Φ, който описва забавянето на времето и потенциала на кривината Ψ, отговорен за изкривяването само на пространствената част. В ОТО и двата потенциала съвпадат.

При много алтернативни гравитационни теории, които се опитват да обяснят естеството на тъмната енергия или да комбинират Стандартния модел и Общата теория на относителността, съотношението у = Ψ / Φ зависи от разстоянието до гравитационния обект. Затова е важно да се измерв точно съотношение при различни мащаби, за да се потвърдят или отхвърлят алтернативните теории.

В мащаба на Слънчевата система Общата теория на относителността е сравнително добре проверена. По този начин измерванията на времето за преминаването на радиосигналите, изпратени от сондата „Касини” и преминаващи близо до Слънцето, дават стойност γ = 1 ± 2×10⁻⁵.

^{Два начина за определяне на масата на галактика.}

Но при мащаби от 10 до 100 мегапарсека* отклонението γ става 0.2, а при по-големи мащаби ограничението е още по-слабо. По правило такава ниска точност е свързана с висока систематична грешка при измерване на скоростта на звездите, която е необходима за изчисляване на кривината на метриката. Например, в последната работа на китайски учени, които анализират около 80 гравитационни лещи, статистическата грешка на резултата е 4%, а систематичната грешка достига 25%.

^{*Един парсек се равнява на разстоянието, от което средният радиус на земната орбита (астрономическа единица) се вижда под ъгъл от една дъгова секунда, тоест има паралакс от една секунда. 1 мегапарсек са 1000 парсека и се равнява приблизително на 3,26 светлинни години} 

В новата статия на група учени с водещ автор Томас Колет (Thomas Collett) значително се подобрява точността на измерването на γ при мащаби от порядъка на хиляди парсека.

За да направят това, те използват силната гравитационна леща на галактиката ESO 325-G004, отдалечена от Земята на разстояние от около 140 мегапарсека (456.6 милиона светлинни години) - наблюденията с телескопа "Хъбъл" показват, че около галактиката има Айнщайнов пръстен с радиус от около 2 килопарсека (6,52 хиляди светлинни години). Поради относително малкия радиус на пръстена може да не се взема предвид влиянието на тъмната материя върху лещата. Освен това, поради близостта на галактиката може не само да се измери радиуса на пръстена, но и да се изследва вътрешната му структура.

^{Снимка на галактиката ESO 325-G004 и Айнщайновия пръстен, направена от телескопа Хъбъл. T. Collett et al. / Science}

Именно това помага на учените да намалят грешката γ. Измервайки спектрите на звездите в галактиката с помощта на спектрометъра на телескопа VLA, астрономите изчисляват скоростта на звездите и изграждан модел, който еднакво добре описва как данните от "Хъбъл", така и от VLA. За подобрят модела изследователите включват в него 20 параметъра, като разпределението на масата в галактиката, размера на халото от тъмна материя, ъгълът на наклон на галактиката спрямо равнината на наблюдение и естествено, параметъра у. След това учените определят с помощта на симулация по метода "Монте Карло"*, при какви стойности на параметрите моделът най-добре се съгласува с данните от наблюденията.

^{*Под "Монте Карло" се разбира численият метод за решаване математически проблеми, използващи симулации на случайни стойности на параметри}.

^{Сравнение между експериментално полученото (вляво) и численно моделираното (вдясно) изображение на Айнщайновия пръстен. T. Collett et al. / Science}

Оказа се, че това става при γ = 0,98 ± 0,02, т.е. статистическата грешка е около два процента. При отчитане на систематичните грешки, произтичащи от използването на библиотеки за сравняване на спектралните данни със скоростта на звездите и недостатъчно точното определяне на стойността на константата на Хъбъл, грешката в параметъра γ се увеличи до девет процента: γ = 0,97 ± 0,09. Независимо от това, в момента това е най-точната стойност на параметъра на мащаби от около две хиляди парасека - и напълно се съгласува с Общата теория на относителността, а не с алтернативните теории за гравитацията.

"Много интересно е, че Общата теория на относителността, формулирана на базата на движението на планетите в Слънчевата система, описва перфектно поведението на Вселената на много по-големи мащаби", посочва Томас Колет от Университета в Портсмут, Великобритания, водещ автор на изследването.

Също така тъмната материя и тъмната енергия, два компонента на Вселената, които все още не са напълно разбрани, изглежда имат важна роля в Общата теория на относителността на Айнщайн. Някои обаче поставят под въпрос стандартния модел точно поради съществуването на тъмна материя и енергия и липсата на научни познания по тези два компонента.

Още по темата

07/03/2015

Физика

Обща теория на относителността