Загальна теорія відносності пройшла перевірку на нейтронних зірках

Американські астрофізики використали багатоканальні спостереження за нейтронними зірками для перевірки загальної теорії відносності Ейнштейна — і 106-річна теорія пройшла її з блиском.

Про це пише Physics World.

Нейтронна зірка — це щільний залишок ядра масивної зірки, яка вибухнула як наднова. Маючи більшу масу, ніж Сонце, але з радіусом лише 10–12 км, нейтронні зірки неймовірно щільні і створюють величезні гравітаційні поля. Ці екстремальні умови представляють собою лабораторію для випробування як стандартної моделі фізики частинок, так і загальної теорії відносності.

Основною метою досліджень нейтронних зірок є визначення рівняння стану, яке являє собою співвідношення між масою зірки та її радіусом. Воно залежить від природи речовини всередині нейтронної зірки (будь то нейтрони, кварк-глюонна плазма або більш екзотичний тип частинок, такі як гіперони), а також щільності енергії та внутрішнього тиску зірки.

"Маса і радіус нейтронної зірки дуже чутливі як до рівняння стану, так і до гравітаційної теорії у використанні для моделювання зірки", - говорить Гектор Сільва з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка в Потсдамі. Він додає, що цей взаємозв'язок був “каменем спотикання” в спробах перевірити гравітацію, використовуючи лише об’ємні властивості нейтронних зірок.

Прекрасні відношення

Прорив відбувся у 2013 році, коли Ніколас Юнес з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн та Кент Ягі з Вірджинського університету виявили відношення “I-Love-Q”. Ці відношення варіюються залежно від того, якої моделі гравітації ви дотримуєтесь, але загалом вони показують, як три основні параметри нейтронної зірки пов'язані між собою. Один параметр — момент інерції нейтронної зірки, а інший — її припливне число Love. Останній описує жорсткість нейтронної зірки, а отже, наскільки легко вона деформується в гравітаційному полі об'єкта-компаньйона — що є важливим фактором при злитті бінарних нейтронних зірок. Третій параметр — квадрупольний момент, який визначає, як маса зірки розподіляється по її сплющеній формі.

Тепер, Сільва та Юнес разом із Мігелем Хольгадо з Університету Карнегі-Меллона в Пенсільванії та Алехандро Карденас-Авеняньо з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн застосували свою модель до реальних нейтронних зірок з невеликою допомогою експерименту “Дослідник внутрішнього складу нейтронних зірок” (NICER) на борту Міжнародної космічної станції та детекторів гравітаційних хвиль LIGO/Virgo.

У 2019 році NICER напряму виміряв масу та радіус ізольованої нейтронної зірки PSR J0030+0451, незалежно від рівняння стану. Тепер Сільва, Юнес, Хольгадо та Карденас-Авеняньо використали ці вимірювання для обчислення моменту інерції зірки, а потім використали відношення I-Love-Q для виведення параметру Love та квадрупольного моменту. Тим часом, гравітаційно-хвильові вимірювання злиття нейтронних зірок GW 170817 дозволили отримати незалежне значення параметру Love для нейтронної зірки з масою, подібною до PSR J0030+0451. Знання цих двох величин дозволило перевірити загальну теорію відносності.

“Тест полягає в тому, щоб перевірити, чи виведене значення параметру Love з відношення "I-Love" є таким самим, як значення, виміряне за допомогою LIGO”, - розповідає Юнес виданню Physics World. “Якщо так, ви пройшли тест! Якщо це не так, то це ознака відхилення від загальної теорії відносності”.

Дзеркальне відображення гравітації

Одне із застосувань тесту — обмеження властивості, відомої як гравітаційний паритет, пояснює Юнес. У фізиці паритет відноситься до дзеркальної симетрії: ідеї про те, що дещо поводиться однаково при відображенні в дзеркалі. Наприклад, коли частинки, такі як каони, розпадаються, ми очікували б таку ж кількість продуктів розпаду, що і їх дзеркальне відображення, але це не відбувається, коли в стандартній моделі порушується паритет.

У загальній теорії відносності гравітаційний паритет має зберігатися. Однак, якби всередині нейтронної зірки діяла модифікована форма гравітації, тоді б не обов'язково зберігався паритет. Це відхилення від загальної теорії відносності можна було б виявити в поляризації гравітаційних хвиль, виміряних за допомогою LIGO/Virgo, або в частоті гравітаційних хвиль, випромінюваних бінарними чорними дірами.

У даному випадку загальна теорія відносності успішно пройшла тест. "Наш результат означає, що паритет зберігається в гравітації в масштабах нейтронних зірок", - говорить Юнес. Наступним кроком, за його словами, буде перевірка гравітаційного паритету в ще більш екстремальних умовах, таких як інспірація та злиття чорних дір.

Висновки команди були б неможливими без настання нової ери багатоканальної астрономії — нашої здатності вивчати астрономічні об'єкти не тільки в електромагнітних хвилях, але і в гравітаційних хвилях.

“Дуже добре, що для проведення цього тесту потрібно поєднувати спостереження за нейтронними зірками в електромагнітному випромінюванні та гравітаційних хвилях”, - говорить Сільва. “Ця можливість була недоступною до 2019 року і підкреслює важливість використання багатоканальних спостережень для отримання нових знань про фізику”.

Дослідження було опубліковано в журналі “Physical Review Letters”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Загальна теорія відносності Ейнштейна
• Нейтронні зорі