В самом точном астрофизическом эксперименте, который когда-либо проводился, австралийские и американские астрономы использовали австралийский радиотелескоп CSIRO Parkes для измерения искажения пространства-времени вблизи звезды в 450 световых годах (более 4 000 миллионов миллионов километров) от Земля. Их результаты, подтверждающие общую теорию относительности Эйнштейна, опубликованы в номере журнала Nature от 12 июля.
Исследователями были г-н Виллем ван Стратен и профессор Мэтью Бейлс (Технологический университет Суинберна, Мельбурн); профессор Шринивас Р. Кулкарни, д-р Стюарт Андерсон и д-р Мэтью Бриттон (Калифорнийский технологический институт); и доктор Ричард Н. Манчестер и г-н Джон Саркисян (CSIRO Australia Telescope National Facility, подразделение национальной исследовательской организации Австралии, CSIRO).
Исследование основано на свойствах одного из самых странных объектов природы: пульсара под названием J0437-4715. Пульсар - это звезда, состоящая из сильно сжатого вещества. Он крутится, и при вращении испускает поток радиоимпульсов. J0437-4715 - один из самых ярких и близких пульсаров в своем роде, производящий более 170 импульсов в секунду. Он вальсирует в космосе со спутником - старой, сморщенной звездой, называемой белым карликом.
Астрономы смогли измерить, когда импульсы J0437-4715 достигают нас на Земле, с точностью до одной десятой миллионной доли секунды [100 наносекунд], благодаря сложным приборам, разработанным Калифорнийским технологическим институтом, передовым вычислительным технологиям в Суинберне. Университет и большая площадка телескопа Паркса.
Это точное определение времени и близость пульсара позволили астрономам точно определить, как орбита пульсара ориентирована в пространстве - это было сделано впервые.
Наши правый и левый глаза видят немного разные картины мира, потому что их разделяют несколько сантиметров. Точно так же два изображения системы пульсаров, сделанные с разницей в шесть месяцев, выглядят немного по-разному, потому что Земля переместилась с одной стороны Солнца на другую. Эффект называется параллакс.
В случае с пульсаром J0437-4715 разница в двух изображениях ничтожна - около четырех миллионных долей градуса. Но этого достаточно, чтобы позволить астрономам построить трехмерную модель того, как пульсар движется по орбите в космосе.
Для этого, однако, аспиранту ван Стратену пришлось обработать более 50 000 гигабайт данных - столько, сколько поместилось бы на 77 000 компакт-дисков или в стек высотой 119 метров.
Разработав орбиту, астрономы смогли проверить тонкий эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна. Массивный объект искажает пространство-время вокруг себя. В системе пульсаров радиоволны пульсара проходят через искривленное пространство-время вокруг своего компаньона - белого карлика и достигают Земли немного позже, чем если бы они путешествовали через неискаженное пространство-время. Эффект, называемый задержкой Шапиро, был впервые предложен в 1964 году Ирвином И. Шапиро, нынешним директором Смитсоновской астрофизической обсерватории.
Данные ясно показали предсказанную задержку, что сделало это первым испытанием общей теории относительности, в котором геометрия системы использовалась для предсказания релятивистского эффекта. Более ранняя проверка системы двойных пульсаров, проведенная профессорами Джозефом Х. Тейлором (Принстонский университет) и Джоэлом М. Вайсбергом (ныне Карлтонский колледж), использовала два общих релятивистских эффекта для предсказания значения третьего, и, таким образом, была проверка непротиворечивость теории. Однако наблюдения пульсара в этой системе не были достаточно точными для проверки геометрии его орбиты.
«Точность текущих данных настолько высока, что теперь мы стремимся использовать пульсар для поиска едва заметных пульсаций в пространственно-временном континууме», - говорит профессор Бейлз. Астрономы считают, что такая рябь могла появиться во время рождения Вселенной или при слиянии сверхмассивных черных дыр. Для их поиска экспериментаторы сейчас проектируют и строят следующее поколение приборов для пульсаров и суперкомпьютеров.
Команда исследователей пульсаров имеет долгую историю открытия и определения времени появления радиопульсаров. В 1982 году Кулкарни вместе с профессором Д. К. Бэкером из Калифорнийского университета в Беркли открыли первый сверхбыстрый («миллисекундный пульсар»), что привело к серии исследований в поисках подобных пульсаров. Одно такое исследование, проведенное с помощью радиотелескопа Паркса командой, в которую входили Манчестер и Бейлс, привело к открытию PSR J0437-4715 в 1992 году.
Этот пульсар с периодом 5,757, 451, 831, 072, 007 миллисекунд выиграет или потеряет не более 1 миллисекунды за период в сто тысяч лет. «Точность миллисекундных пульсаров сравнима с точностью атомных часов, которые используются для измерения времени. Давно признано, что эти естественные часы можно использовать для ряда тестов в фундаментальной физике», - говорит профессор Кулкарни.
Группа Swinburne выделила целый суперкомпьютер, один из крупнейших в Австралии, чтобы не отставать от терабайтов потоковой передачи данных из Паркса.