Общая теория относительности прошла проверку на нейтронных звездах

Американские астрофизики использовали многоканальные наблюдения за нейтронными звездами для проверки общей теории относительности Эйнштейна — и 106-летняя теория прошла ее с блеском.

Об этом пишет Physics World.

Нейтронная звезда — это плотный остаток ядра массивной звезды, которая взорвалась как сверхновая. Имея большую массу, чем Солнце, но с радиусом всего 10-12 км, нейтронные звезды невероятно плотные и создают огромные гравитационные поля. Эти экстремальные условия представляют собой лабораторию для испытания как стандартной модели физики частиц, так и общей теории относительности.

Основной целью исследований нейтронных звезд является определение уравнения состояния, которое представляет собой соотношение между массой звезды и ее радиусом. Оно зависит от природы вещества внутри нейтронной звезды (будь то нейтроны, кварк-глюонная плазма или более экзотический тип частиц, такие как гипероны), а также плотности энергии и внутреннего давления звезды.

"Масса и радиус нейтронной звезды очень чувствительны как к уравнению состояния, так и к гравитационной теории в использовании для моделирования звезды", - говорит Гектор Сильва из Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдаме. Он добавляет, что эта взаимосвязь была "камнем преткновения" в попытках проверить гравитацию, используя только объемные свойства нейтронных звезд.

Прекрасные отношения

Прорыв произошел в 2013 году, когда Николас Юнес из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Кент Яги из Вирджинского университета обнаружили отношения "I-Love-Q". Эти отношения варьируются в зависимости от того, какой модели гравитации вы придерживаетесь, но в целом они показывают, как три основных параметра нейтронной звезды связаны между собой. Один параметр — момент инерции нейтронной звезды, а другой — ее приточное число Love. Последний описывает жесткость нейтронной звезды, а следовательно, насколько легко она деформируется в гравитационном поле объекта-компаньона — что является важным фактором при слиянии бинарных нейтронных звезд. Третий параметр — квадрупольный момент, который определяет, как масса звезды распределяется по ее сплющенной форме.

Теперь, Сильва и Юнес вместе с Мигелем Хольгадо из Университета Карнеги-Меллона в Пенсильвании и Алехандро Карденас-Авеняньо из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн применили свою модель к реальным нейтронным звездам с небольшой помощью эксперимента "Исследователь внутреннего состава нейтронных звезд" (NICER) на борту Международной космической станции и детекторов гравитационных волн LIGO/Virgo.

В 2019 году NICER напрямую измерил массу и радиус изолированной нейтронной звезды PSR J0030+0451, независимо от уравнения состояния. Теперь Сильва, Юнес, Хольгадо и Карденас-Авеняньо использовали эти измерения для вычисления момента инерции звезды, а затем использовали отношение I-Love-Q для вывода параметра Love и квадрупольного момента. Между тем, гравитационно-волновые измерения слияния нейтронных звезд GW 170817 позволили получить независимое значение параметра Love для нейтронной звезды с массой, подобной PSR J0030+0451. Знание этих двух величин позволило проверить общую теорию относительности.

"Тест состоит в том, чтобы проверить, является ли выводимое значение параметра Love по отношению "I-Love" таким же, как значение, измеренное с помощью LIGO", - рассказывает Юнес изданию Physics World. "Если так, вы прошли тест! Если это не так, то это признак отклонения от общей теории относительности".

Зеркальное отражение гравитации

Одно из применений теста — ограничение свойства, известной как гравитационный паритет, объясняет Юнес. В физике паритет относится к зеркальной симметрии: идеи о том, что нечто ведет себя одинаково при отражении в зеркале. Например, когда частицы, такие как каоны, распадаются, мы ожидали бы такое же количество продуктов распада, и их зеркальное отражение, но этого не происходит, когда в стандартной модели нарушается паритет.

В общей теории относительности гравитационное паритет должен сохраняться. Однако, если бы внутри нейтронной звезды действовала модифицированная форма гравитации, тогда бы не обязательно сохранялся паритет. Это отклонение от общей теории относительности можно было бы обнаружить в поляризации гравитационных волн, измеренных с помощью LIGO/Virgo, или в частоте гравитационных волн, излучаемых бинарными черными дырами.

В данном случае общая теория относительности успешно прошла тест. "Наш результат означает, что паритет сохраняется в гравитации в масштабах нейтронных звезд", - говорит Юнес. Следующим шагом, по его словам, будет проверка гравитационного паритета в еще более экстремальных условиях, таких как инспирация и слияние черных дыр.

Выводы команды были бы невозможны без наступления новой эры многоканальной астрономии — способности изучать астрономические объекты не только в электромагнитных волнах, но и в гравитационных волнах.

"Очень хорошо, что для проведения этого теста нужно сочетать наблюдения за нейтронными звездами в электромагнитном излучении и гравитационных волнах", - говорит Сильва. "Это возможность была недоступной до 2019 года и подчеркивает важность использования многоканальных наблюдений для получения новых знаний о физике".

Исследование было опубликовано в журнале "Physical Review Letters".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.