На Очень большом телескопе ESO в Чили и Космическом телескопе Хаббла NASA/ESA, астрономы выполнили самую точную на сегодняшний день проверку общей теориии относительности Эйнштейна вне Млечного пути.
Близлежащая галактика ESO 325-G004, действуя как сильная гравитационная линза, искривляет свет, идущий от расположенной за ней далекой галактики, и образует так называемое кольцо Эйнштейна. Сравнение массы галактики ESO 325-G004 с кривизной пространства вокруг нее показывает, что силы гравитации действуют в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности. Этот тест позволяет отбросить некоторые альтернативные теории тяготения.
При помощи приемника MUSE на телескопе ESO VLT группа иследователей под руководством Томаса Коллетта (Thomas Collett) из Портсмутсткого университета в Великобритании впервые вычислила массу объекта ESO 325-G004, измерив движения звезд внутри этой близкой к нам эллиптической галактики.
Томас Коллетт объясняет: “На основе данных, полученных с Очень большим телескопом в Чили, мы измерили скорости движений звезд в ESO 325-G004, и это позволило нам оценить массу галактики”.
Но ученые смогли также измерить и другой аспект действия гравитационных сил. При помощи Космического телескопа Хаббла NASA/ESA они выполнили наблюдения кольца Эйнштейна, образующегося вследствие искривления лучей света, идущих от далекой фоновой галактики, массой ESO 325-G004. Наблюдения этого оптического эффекта позволили астрономам измерить степень искажения световых лучей, а следовательно и пространства-времени, гигантской массой ESO 325-G004.
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что тела деформируют пространство-время вокруг себя, что и приводит к отклонению лучей света. Это явление называется гравитационным линзированием. Наблюдаться этот эффект может лишь у очень массивных объектов. Известно несколько сот сильных гравитационных линз, но большинство их слишком далеки от нас, чтобы можно было бы точно измерить их массу. Галактика ESO 325-G004 – одна из ближайших гравитационных линз, она находится всего в 450 миллионах световых лет от Земли.
“Мы знаем массу искривляющей пространство галактики из данных, полученных на MUSE, – продолжает Коллетт. – И мы измерили величину гравитационного линзирования при помощи телескопа Хаббла. Затем мы сравнили эти измерения силы гравитации – и результат оказался в точности таким, как предсказывает общая теория относительности, с неопределенностью всего 9 процентов. Это самая точная проверка общей теорииотносительности вне пределов Млечного Пути на сегодня. И это удалось сделать, используя наблюдения всего одной галактики!”
В 1998 году было обнаружено, что Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Это неожиденное открытие нельзя объяснить иначе, чем если предположить, что Вселенная в основном состоит из некоей экзотической субстанции, называемой темной энергией. Однако, такая интерпретация исходит из того, что общая теория относительности является верной теорией гравитации в космологических масштабах. Общая теория относительности уже проходила проверку с очень высокой степенью точности в масштабе Солнечной системы, а в некоторых исследованиях использовались наблюдения звезд в центре Млечного Пути, но до сих пор не было проведено точных экспериментов по тестированию ее на больших астрономических масштабах. Проверка крупномасштабных свойств тяготения жизненно важна для подтверждения современной космологической модели строения Вселенной в целом.
Полученные результаты могут иметь важное значение для моделей гравитации, альтернативных по отношению к общей теории относительности, моделей, которые также пытаются объяснить ускоренное расширение Вселенной. Эти альтернативные теории предсказывают, что влияние гравитации на кривизну пространства-времени зависит от масштаба, то есть, что силы гравитации в космологических масштабах ведут себя не так, как на меньших масштабах, например, в Солнечной системе. Результаты, полученные Коллеттом и его групппой, показывают, что это вряд ли верно – если только эти различия не начинают проявляться на масштабах, превышающих 6000 световых лет.
“Вселенная устроена поразительно – в ней самой есть линзы, которые мы можем использовать как лаборатории”, -- говорит член исследовательской группы Боб Никол (Bob Nichol) из Портсмутского университета. “Мы использовали лучшие телескопы в мире, чтобы бросить вызов Эйнштейну, а в результате только подтвердили его правоту – и это великолепно”.
Результаты исследования представлены в статье “A precise extragalactic test of General Relativity”, Collett и др., которая публикуется в журнале Science.
Справка
О расширении Вселенной стало известно в 1929 году, но только в 1998 г. две группы астрономов показали, что Вселенная расширяется быстрее, чем она расширялась в прошлом. Это удивительное открытие удостоено Нобелевской премии по физике 2011 года, и с тех пор продолжает оказывать огромное влияние на наше понимание строения Вселенной.
Европейская Южная Обсерватория (ESO, European Southern Observatory) -- ведущая межгосударственная астрономическая организация Европы, намного обгоняющая по продуктивности другие наземные астрономические обсерватории мира. В ее работе участвуют 15 стран: Австрия, Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Польша, Португалия, Финляндия, Франция, Чешская Республика, Швейцария и Швеция, а также Чили, предоставившая свою территорию для размещения обсерваторий ESO, и Австралия, являющаяся ее стратегическим партнером. ESO проводит в жизнь масштабную программу проектирования, строительства и эксплуатации мощных наземных наблюдательных инструментов, позволяющих астрономам выполнять важнейшие научные исследования. ESO также играет ведущую роль в организации и поддержке международного сотрудничества в области астрономии. ESO располагает тремя уникальными наблюдательными пунктами мирового класса, находящимися в Чили: Ла Силья, Параналь и Чахнантор. В обсерватории Параналь установлен Очень Большой Телескоп ESO (The Very Large Telescope, VLT), способный работать в формате Очень Большого Телескопа-Интерферометра VLTI, и два крупнейших широкоугольных телескопа: VISTA, выполняющий обзоры неба в инфракрасных лучах, и обзорный телескоп оптического диапазона VLT (VLT Survey Telescope). ESO также является одним из основных партнеров по эксплуатации двух инструментов субмиллиметрового диапазона на плато Чахнантор: телескопа APEX и крупнейшего астрономического проекта современности ALMA. На Серро Армазонес, недалеко от Параналя, ESO ведет строительство 39-метрового Чрезвычайно Большого Телескопа ELT, который станет «величайшим оком человечества, устремленным в небо».
Эта схема показывает, как свет от удаленной галактики искажается вследствие влияния тяготения более близкой к нам галактики, действующей наподобие линзы, которая строит искаженное, но более яркое изображение удаленного источника. При этом образуются характерные световые кольца, известные как кольца Эйнштейна. Анализ искажений показывает, что некоторые из удаленных галактик со звездообразованием в них имеют светимость до 40 триллионов Солнц, а гравитационные линзы увеличивают их до 22 раз.