aHR0cDovL3d3dy5zcGFjZS5jb20vaW1hZ2VzL2kvMDAwLzA3Ny8yNDkvb3JpZ2luYWwvaHViYmxlLWVpbnN0ZWluLXJpbmcuanBn.jpg
Снимок гравитационной линзы в галактике LRG 3-757, снятый телескопом «Хаббл».

Новое исследование впервые подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна (ОТО) в далекой галактике, на расстоянии в 500 миллионов световых лет от нас. Разумеется, эксперименты, подтверждающие ОТО, проводили и раньше, но в масштабах нашей Солнечной системы, которые крайне малы по галактическим меркам, а значит они не являлись полноценными доказательствами.

Это исследование подтверждает наше нынешнее понимание гравитации и дает больше доказательств в пользу существования темной материи и энергии — двух таинственных концепций, о которых ученые узнают только косвенно, наблюдая их воздействие на окружающие объекты.

ОТО, сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1916 году, говорит о том, что гравитационные и инерциальные силы имеют одну и ту же природу — то есть, гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел или полей, находящихся в пространстве-времени (модель окружающего нас мира, где к трем координатным осям добавлена четвертая, временная, ось), а деформацией самого пространства-времени. Говоря простым языком, теория предсказывает, насколько масса объекта — в нашем случае, галактики — искривляет пространство-время.

Поскольку теория была опубликована уже более ста лет назад, она неоднократно проверялась в масштабах нашей Солнечной системы. Но это новое исследование, проведенное международной группой астрономов во главе с Томасом Коллеттом из Института космологии и гравитации в Портсмуте (Великобритания), является первой точной проверкой общей теории относительности в крупном астрономическом масштабе.

Используя данные космического телескопа Хаббла и Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории в Чили, исследовательская группа обнаружила, что гравитация ведет себя в далекой галактике так же, как и в нашей Солнечной системе — то есть все так, как и предсказывает теория Эйнштейна.

aHR0cDovL3d3dy5zcGFjZS5jb20vaW1hZ2VzL2kvMDAwLzA3Ni8yMjYvb3JpZ2luYWwvbm92YS11bml2ZXJzZS1nYWxheGllcy1jdXJyZW50LmpwZz8xNTI1ODcxNjEw.jpg
Темная материя, по-видимому, распространяется по всему космосу как сеть, с кластерами галактик, образующимися в узлах сети. Проверяя, что гравитация действует одинаково как внутри, так и вне нашей Солнечной системы, исследователи предоставляют дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии.

Исследователи проверили предположение, что «законы физики, которые работают здесь, на Земле, верны и в любом другом месте», — сказал Терри Освальт, астроном в Аэронавигационном университете Эмбри-Риддла во Флориде. «Проверка общей теории относительности во всех возможных масштабах (особенно в галактическом) принципиально важна для физики в целом и для космологии в частности», — добавил он.

Подтверждение общей теории относительности также служит дополнительным доказательством существования темной материи и темной энергии, говорит Коллетт. По его словам, темная материя и энергия — две «странные вещи», которые существуют в стандартной модели космологии.

Стандартная модель — это теория, описывающая, как фундаментальные силы и частицы в Вселенной работают и ведут себя вместе, и она направлена ​​на объяснение наших наблюдений и экспериментов. Однако у нас отсутствует точное понимание и объяснение существования темной материи и темной энергии, что делает их «двумя самые большие тайнами в космологии сегодня», и заставляет некоторых подвергать сомнению стандартную модель.

«Я сомневаюсь, что астрономы откажутся от стандартной модели космологии», — говорит Освальт. Поэтому, вместо отказа исследователи стремятся «сделать модель более точной для наблюдаемых данных», — добавил он. Согласно стандартной модели, темная материя требуется для объяснения того, почему не распадаются галактики при наблюдаемом движении звезд, а темная энергия призвана объяснить, почему вселенная расширяется все быстрее. 

Некоторые ученые предположили, что альтернативные теории гравитации могут устранить потребность в темной материи и энергии в стандартной модели. Однако, поскольку команда Коллетта обнаружила, что гравитация работает вне нашей Солнечной системы так же, как в ней, на данный момент кажется, что наше понимание гравитации правильное, а темная материя и темная энергия по-прежнему соответствуют стандартной модели.

Коллетт также отметил, что это целью исследования не является доказательство существования темной материи и темной энергии, но все же оно это подтверждает.

aHR0cDovL3d3dy5zcGFjZS5jb20vaW1hZ2VzL2kvMDAwLzA2Ni84NzMvb3JpZ2luYWwvZ2FsYXhpZXMtZ3Jhdml0YXRpb25hbC1sZW5zaW5nLnBuZz8xNDk3MDkzNzg5.jpg
Шесть различных изображений, полученных космическим телескопом «Хаббл», на которых виден космический эффект, называемый гравитационным линзированием. Изображения были сделаны в инфракрасном свете с помощью широкополосной камеры Hubble 3. Цвет был добавлен чтобы выделить детали в галактиках.

Для проверки общей теории относительности за пределами нашей Солнечной системы исследовательская группа использовала сильное гравитационное линзировании: метод, при котором массивный объект — в данном случае галактика — действует как огромная линза, изгибая свет настолько, что изображение фонового объекта, который в этом случае также является галактикой, оказывается сильно искажено. Исследовательская группа астрономов использовала галактику ESO 325-G004, потому что она образует одну из ближайших к Земле линз, на расстоянии всего около 500 миллионов световых лет от нас.

Если два объекта хорошо выровнены, этот эффект создает из фоновой галактики кольцевое изображение, называемое «кольцом Эйнштейна». Радиус этого кольца «пропорционален отклонению света», — говорит Коллетт, — «поэтому, если вы измеряете радиус кольца, вы можете измерить кривизну [пространства-времени]».

В дополнение к измерению искривления пространства-времени, исследователи должны были определить массу галактики, поскольку общая теория относительности определяет то, как масса создает искривление. Они подсчитали эту массу, измерив, как быстро движутся звезды этой галактики (достаточно знать лишь скорость вращения внешних звезд и их расстояния до центра галактики, и если учесть, что галактика стабильна, то приравниваем центробежную силу силе гравитации из закона всемирного тяготения, масса звезды сокращается, и остаются неизвестными только расстояние до центра галактики, скорость вращения звезды и масса галактики. Так как первые два значения легко получить из наблюдений, то проблем при оценке массы галактики также не возникает — прим. перев.). Затем, сравнив измеренную массу с той, которая получилась из ОТО, команда обнаружила, что результаты оказались достаточно близки.

«Итак, теперь, насколько мы знаем, даже вне нашей солнечной системы ОТО — это правильная теория гравитации», — сказал Коллетт. Эта группа астрономов надеется изучить еще более далекие галактики и линзы, подтверждая, что гравитация действует одинаково во всем космосе.

«Как же приятно использовать лучшие телескопы в мире, чтобы бросить вызов Эйнштейну, только чтобы узнать, насколько он был прав», — сказал в своем заявлении член команды Боб Никол, директор Института космологии и гравитации.