Main menu:

Экспериментальная проверка общей теории относительности Эйнштейна

В 1964 г. Ирвин И. Шапиро из Массачусетского технологического института предложил эксперимент, которыйГравитационная линза Крест Эйнштейна позволил бы оценить эффект замедления электромагнитного сигнала при прохождении его вблизи Солнца. Эксперимент заключался в том, чтобы с помощью радиолокатора послать радиоимпульс к Венере или Меркурию (когда они находятся вблизи верхнего соединения) и измерить время между моментом посылки импульса и моментом прихода отраженного сигнала. Поскольку фотоны вблизи Солнца замедляются, отраженный сигнал должен прийти с запозданием.

В то время, когда Шапиро и его коллеги из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института задумали свой эксперимент, расстояния до планет не были известны с необходимой точностью; поэтому нельзя было непосредственно сравнить экспериментальное и теоретическое значение интервала времени, затраченного радиосигналом на путь к планете и обратно. Однако ученые нашли выход: они сопоставили результаты многочисленных радиолокационных измерений, осуществленных при различных относительных положениях Земли и Венеры, и чрезвычайно точных теоретических расчетов, в которых учитывалось возмущающее действие других планет на движение Венеры и Земли, а также форма и отражательная способность венерианской поверхности. В конечном итоге эксперименты показали, что измеренные значения задержки радиосигналов, отраженных от поверхностей Меркурия и Венеры, хорошо согласуются с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.

В 1919 г. по инициативе А. Эддингтона были организованы две экспедиции для наблюдения солнечного затмения: одна отправилась к островам у побережья Бразилии, другая - в западную часть Центральной Африки; среди прочих исследований они производили фотографирование звезд вблизи края Солнца в период полного солнечного затмения. Полученные результаты согласовались с предсказаниями теории Эйнштейна с точностью до экспериментальных ошибок (равных примерно 0,2″). Результаты аналогичных измерений, выполненных впоследствии во время других солнечных затмений, подтвердили первоначальные результаты; однако точность измерений осталась той же, поскольку локальные флуктуации плотности воздуха вблизи земной поверхности вносят в измерения среднюю ошибку порядка 0,2″.

В радиодиапазоне атмосферное дрожание менее существенно. Метод радиоинтерферометрии дает ошибку измерения значительно ниже 0,1″. Квазар ЗС 279 расположен на небесной сфере на расстоянии менее 0,25° от эклиптики и раз в год (в октябре) покрывается Солнцем. Измеряя угловое расстояние ЗС 279 от соседнего квазара ЗС 273, радиоастрономы смогли измерить угловой сдвиг квазара ЗС 279 с точностью до 1%. Относительное различие измеренного отклонения и расчетной величины, полученной из общей теории относительности Эйнштейна, составляет 1,015±0,011.

Наиболее убедительное подтверждение эффекта отклонения света в сильном гравитационном поле удалось получить в 1979 г., когда Денис Уолш из Манчестерского университета открыл два квазара, оптические изображения которых отстояли друг от друга лишь на 6″. Уолш обратился за помощью к Роберту Карсуэллу и Рэю Вейману из Национальной обсерватории Китт-Пик, которые, получив спектры этих слабых квазаров, обнаружили, что они идентичны. В опубликованной по результатам исследований статье эти трое ученых высказали предположение, что два видимых оптических изображения на самом деле порождены одним физическим объектом, свет которого искривляется лежащей на его пути массивной галактикой, действующей в данном случае как «гравитационная линза».

Но почему лежащая на пути света галактика не видна на фотографии? Алан Н. Стоктон из Астрономического института в Гонолулу (Гавайские о-ва) высказал догадку, что свет галактики маскируется одним из изображений квазара. Чтобы проверить это предположение, он электронным способом разделил голубое и красное изображения, выявив таким образом лежащую на пути света галактику.

Почему гравитационная линза создает несколько изображений? Самый прямой способ изучить свойства гравитационной линзы, действующей на световые лучи таким образом, - это изготовить и испытать ее. Марк В. Горенстейн из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра сделал из пластмассы линзы, которые имитируют влияние протяженных галактик и точечных масс на световые лучи. Если смотреть через такую линзу на удаленный источник света, то он действительно распадается на несколько изображений, причем их число и форма меняются в зависимости от относительного положения глаза, объекта и линзы. Результаты наблюдений двойного квазара и двух других кратных изображений квазаров хорошо согласуются с предсказаниями, сделанными на основе общей теории относительности Эйнштейна, разумеется, при подходящем выборе моделей галактик, лежащих на пути света.