Кредит зображення: NRAO
Теоретизований Ейнштейном майже століття фізики знайшли докази на підтвердження теорії про те, що сила тяжіння рухається зі швидкістю світла. Відхилення в тому, як зображення квазара було зігнуто, пояснювали цією швидкістю тяжіння.
Скориставшись рідкісним космічним вирівнюванням, вчені здійснили перше вимірювання швидкості, з якою поширюється сила тяжіння, давши числове значення одній з останніх невимірюваних фундаментальних констант фізики.
"Ньютон подумав, що сила гравітації миттєва. Ейнштейн припускав, що він рухається зі швидкістю світла, але до цих пір його ніхто не вимірював ", - сказав Сергій Копейкін, фізик з університету Міссурі-Колумбії.
"Ми визначили, що швидкість поширення гравітації дорівнює швидкості світла з точністю 20 відсотків", - сказав Ед Фомалонт, астроном в Національній обсерваторії радіоастрономії (NRAO) у Шарлоттсвілі, штат Вірджинія. Вчені представили свої висновки на зустрічі Американського астрономічного товариства в Сіетлі, штат Вашингтон.
Орієнтирне вимірювання важливе для фізиків, які працюють над уніфікованими теоріями поля, які намагаються поєднати фізику частинок із загальною теорією відносності та електромагнітної теорії Ейнштейна.
"Наше вимірювання ставить деякі сильні межі в теоріях, які пропонують додаткові розміри, такі як теорія надструнних і теорії брейн", - сказав Копейкін. "Знання швидкості гравітації може забезпечити важливе випробування існування та компактності цих додаткових розмірів", - додав він.
Теорія суперструнних пропозицій передбачає, що основні частинки природи не є точковими, а досить неймовірно малими петлями або струнами, властивості яких визначаються різними режимами вібрації. Бранс (слово, похідне від мембран) - багатовимірна поверхня, а деякі сучасні фізичні теорії пропонують просторово-часові кранки, вбудовані в п'ять вимірів.
Вчені використовували дуже довгий базовий масив Національного фонду науки (VLBA), загальнодержавну радіотелескопну систему, а також 100-метровий радіотелескоп в Ефферсберзі, Німеччина, щоб зробити надзвичайно точне спостереження, коли планета Юпітер проходила майже в перед яскравим квазаром 8 вересня 2002 року.
Спостереження зафіксувало дуже незначне «згинання» радіохвиль, що виходять із фонового квазару, завдяки гравітаційному ефекту Юпітера. Згинання призвело до невеликої зміни видимого положення квазара на небі.
"Оскільки Юпітер рухається навколо Сонця, точна кількість вигину трохи залежить від швидкості, з якою тяжіння поширюється від Юпітера", - сказав Копейкін.
Юпітер, найбільша планета Сонячної системи, проходить лише досить близько до шляху радіохвиль від відповідно яскравого квазара приблизно один раз на десятиліття, щоб зробити таке вимірювання, - зазначили вчені.
Небесне вирівнювання одного разу в десятиліття було останнім у ланцюзі подій, які зробили можливим вимірювання швидкості тяжіння. Інші включали випадкову зустріч двох вчених у 1996 році, прорив теоретичної фізики та розроблення спеціалізованих методик, що дозволили зробити надзвичайно точне вимірювання.
"Ніхто раніше не намагався виміряти швидкість гравітації, тому що більшість фізиків припускали, що єдиний спосіб зробити це - виявити гравітаційні хвилі", - нагадав Копейкін. Однак у 1999 році Копейкін розширив теорію Ейнштейна, щоб включити гравітаційні ефекти рухомого тіла на світлові та радіохвилі. Ефекти залежали від швидкості гравітації. Він зрозумів, що якщо Юпітер рухатиметься майже перед зіркою чи радіо джерелом, він може перевірити свою теорію.
Копейкін вивчив прогнозовану орбіту Юпітера на наступні 30 років і виявив, що планета-гігант пройде досить близько перед квазаром J0842 + 1835 у 2002 році. Однак він швидко зрозумів, що вплив на видиме положення квазара на небі приписується швидкість тяжіння була б такою невеликою, що єдиною спостережною технікою, здатною її виміряти, була дуже довга базова інтерферометрія (VLBI), техніка, втілена в VLBA. Потім Копейкін зв’язався з Fomalont, провідним експертом у галузі VLBI та досвідченим спостерігачем VLBA.
"Я одразу зрозумів важливість експерименту, який міг би зробити перше вимірювання фундаментальною константою природи", - сказав Фомалонт. "Я вирішив, що ми повинні зробити цей наш найкращий удар", - додав він.
Щоб отримати необхідний рівень точності, вчені додали телескоп Ефферсберга до своїх спостережень. Чим ширший поділ між двома радіотелескопними антенами, тим більша роздільна здатність або здатність бачити дрібні деталі, досяжні. VLBA включає антени на Гаваях, континентальній частині Сполучених Штатів та Сент-Круа на Карибському басейні. Антена з іншого боку Атлантики додала ще більшої потужності.
"Ми повинні були зробити вимірювання приблизно втричі більшою точністю, ніж хто-небудь коли-небудь робив, але в принципі ми знали, що це можна зробити", - сказав Фомалонт. Вчені випробували та вдосконалили їхні методи в "сухих пробігах", потім чекали, коли Юпітер пройде перед квазаром.
Очікування включало значне кусання нігтів. Відмова обладнання, негода або електромагнітна буря на самому Юпітері могли саботувати спостереження. Однак удача була проведена, і спостереження вчених на радіочастоті 8 гігагерців дали досить хороших даних для їх вимірювання. Вони досягли точності, рівної ширині людського волосся, видно з 250 миль.
«Наша основна мета полягала в тому, щоб виключити нескінченну швидкість тяжіння, і ми зробили ще краще. Зараз ми знаємо, що швидкість тяжіння, ймовірно, дорівнює швидкості світла, і ми можемо впевнено виключити будь-яку швидкість сили тяжіння, що перевищує вдвічі швидкість світла », - сказав Фомалонт.
Більшість вчених, зазначає Копейкін, буде полегшеною, що швидкість тяжіння відповідає швидкості світла. «Я вважаю, що цей експеримент проливає нове світло на основи загальної відносності і являє собою перше з багатьох інших досліджень та спостережень гравітації, які в даний час можливі через надзвичайно високу точність VLBI. У нас є багато іншого, щоб дізнатися про цю інтригуючу космічну силу та її зв’язок з іншими силами в природі », - сказав Копейкін.
Це не перший раз, коли Юпітер зіграв свою роль у виробленні вимірювання основної фізичної константи. У 1675 році датський астроном Олаф Румер, який працює в Паризькій обсерваторії, зробив перше досить точне визначення швидкості світла, спостерігаючи затемнення однієї з лун Юпітера.
Оригінальне джерело: NRAO News Release
