Main menu:

Гравитационное красное смещение

Рассмотрим двойную звезду, компоненты которой обращаются вокруг общего центра масс по круговым орбитам,Спиральная галактика NGC предположив для простоты, что наблюдатель находится в орбитальной плоскости пары. Каждая звезда одну половину периода движется к наблюдателю, а в течение другой - удаляется от него. Частота каждой спектральной линии звезды колеблется относительно среднего значения, которое само по себе смещено от частоты, наблюдаемой в лабораторной системе отсчета в отсутствие гравитационного поля. Это смещение обусловлено двумя эффектами: доплеровским сдвигом, связанным с движением, центра масс, и красным гравитационным смещением. Предположим теперь, что одна из двух звезд - белый карлик, а другая - обычная звезда. Гравитационное смещение изучения белого карлика в 100 раз больше, чем у обычной звезды. Следовательно, разность между средними значениями ??/? для названных двух звезд примерно равна красному гравитационному смещению фотона, испускаемого белым карликом.

Таким методом удалось оценить гравитационное красное смещение для нескольких белых карликов. Полученные результаты согласуются с предсказаниями теории Эйнштейна.

В 1960 г. сотрудники Гарвардского университета Р. В. Паунд и Г. А. Ребка-мл. поставили эксперимент с целью измерения красного гравитационного смещения. Ядра железа Ре57, образующие кристаллическую решетку твердого тела, испускают и поглощают фотоны в очень узком диапазоне частот, центр которого приходится примерно на частоту 3,5×1018 Гц. В эксперименте Паунда-Ребки источник и поглотитель этого строго монохроматического излучения располагались друг над другом на расстоянии 22,5 м. Величина поглощения была несколько меньше, чем это было бы в отсутствие гравитационного красного смещения. Чтобы скомпенсировать это различие в поглощении, вводилось соответствующее доплеровское смещение - путем перемещения источника относительно поглотителя с малой, точно измеряемой скоростью. Введенный таким образом доплеровский сдвиг соответствовал величине, предсказываемой теорией Эйнштейна, с точностью до 10%. Впоследствии расхождение было уменьшено д0 1%.

В 1976 г. Роберт Ф. С. Вессо и его сотрудники из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра провели эксперимент по измерению сдвига частоты излучения в гравитационном поле, использовав с этой целью водородный мазер (он изображен на фотографии), который установили на ракете. Разность гравитационных потенциалов в точках минимального и максимального удаления ракеты от Земли, согласно теории Эйнштейна, соответствовала относительному сдвигу частоты ??/? = 4 x 10-10, что более чем в 100 тыс. раз превосходит величину сдвига в эксперименте Паунда - Ребки. Поскольку ракета двигалась, монохроматическое излучение водородного мазера, кроме того, испытывало сдвиг в красную (при подъеме ракеты) или в фиолетовую (при ее спуске) область спектра вследствие релятивистского эффекта Доплера.

Вессо нашея остроумный (чисто электронный) способ исключения доплеров-ского сдвига первого порядка (соответствующего классической формуле Доплера). Таким образом, в эксперименте измерялся сдвиг по частоте, складывающийся из гравитационного сдвига и остаточного доплер-эффекта, связанного с релятивистским замедлением времени. Вклад обеих составляющих примерно одинаков на протяжении большей части полета. Водородный мазер, созданный Норманом Ф. Рамсеем из Гарвардского университета, имел стабильность по частоте 10-14. Измеренный сдвиг согласуется с величиной, предсказываемой теорией Эйнштейна, с точностью 7×10-5, что в сто раз выше точности эксперимента Паунда - Ребки.