Что общего у Альберта Эйнштейна, Глобальной системы позиционирования (GPS) и пары звезд в 360 квадриллионов километров от Земли?
Ответ заключается в эффекте общей теории относительности Эйнштейна, который называется «гравитационное красное смещение», когда свет смещается в более красные цвета из-за силы тяжести. Используя рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, астрономы обнаружили явление в двух звездах, вращающихся вокруг друг друга в нашей галактике на расстоянии около 29 тысяч световых лет (360 квадриллионов километров) от Земли. Хотя эти звезды очень далеки, гравитационное красное смещение оказывает ощутимое влияние на современную жизнь, поскольку ученые и инженеры должны принимать их во внимание, чтобы обеспечить точное положение для GPS.
Хотя ученые обнаружили неопровержимые доказательства гравитационных красных смещений в нашей Солнечной системе, было сложно наблюдать их в более удаленных объектах в космосе. Новые результаты Чандра убедительно свидетельствуют о действии эффектов гравитационного красного смещения в новой космической обстановке.
Интригующая система, известная как 4U 1916-053, содержит две звезды на удивительно близкой орбите. Одна из них является ядром , внешние слои которого удалены, в результате чего остается звезда намного плотнее Солнца. Другая – нейтронная звезда, еще более плотный объект, созданный, когда массивная звезда коллапсирует в результате взрыва сверхновой. Нейтронная звезда (серая) показана на рисунке в центре диска горячего газа, оторванного от своего компаньона (белая звезда слева).
Эти две компактные звезды находятся всего в 344 тыс. км друг от друга, что примерно равно расстоянию между Землей и Луной. В то время как Луна обращается вокруг нашей планеты за месяц, плотная звезда-компаньон в 4U 1916-053 вращается вокруг нейтронной звезды и совершает полный оборот всего за 50 минут.
В новой работе над 4U 1916-053 команда проанализировала рентгеновские спектры, то есть количество рентгеновских лучей на разных длинах волн, полученных от Чандры. Они обнаружили в спектрах характерный признак поглощения рентгеновского света железом и кремнием. В трех отдельных наблюдениях с Чандры данные показывают резкое падение обнаруженного количества рентгеновских лучей, близких к длинам волн, на которых атомы железа или кремния, как ожидается, будут поглощать рентгеновские лучи. Один из спектров поглощения железом включен в основной график, а дополнительный график показывает спектр поглощения кремнием.
Однако длины волн этих характерных признаков железа и кремния были смещены в сторону более длинных или более красных длин волн по сравнению с лабораторными значениями, найденными на Земле (показаны пунктирной линией). Исследователи обнаружили, что сдвиг характеристик поглощения был одинаковым в каждом из трех наблюдений Чандры, и что он был слишком большим, чтобы его можно было объяснить движением от нас. Вместо этого они пришли к выводу, что это было вызвано гравитационным красным смещением.
Как это связано с общей теорией относительности и GPS? Как предсказывает теория Эйнштейна, часы под действием силы тяжести идут медленнее, чем часы, наблюдаемые из удаленной области, испытывающей более слабую гравитацию. Это означает, что часы на Земле, наблюдаемые с орбитальных спутников, идут медленнее. Чтобы обеспечить высокую точность, необходимую для GPS, этот эффект необходимо учитывать, иначе будут небольшие различия во времени, которые быстро накапливаются, вычисляя неточные позиции.
Это первое убедительное свидетельство того, что сигнатуры поглощения смещаются в сторону более длинных волн под действием силы тяжести в паре звезд, у которых есть нейтронная звезда или черная дыра. Убедительные доказательства гравитационных красных смещений поглощения ранее наблюдались с поверхности белых карликов, при этом сдвиги длин волн обычно составляют всего около 15% от таковых для 4U 1916-053.
Ученые говорят, что, вероятно, газовая атмосфера, покрывающая диск рядом с нейтронной звездой (показана синим цветом), поглощала рентгеновские лучи, давая такие результаты. Размер сдвига в спектрах позволил команде вычислить, как далеко эта атмосфера находится от нейтронной звезды, используя общую теорию относительности и принимая стандартную массу нейтронной звезды. Они обнаружили, что атмосфера расположена в 2400 км от нейтронной звезды и составляет всего 0,7% расстояния от нейтронной звезды до спутника. Вероятно, она простирается на несколько сотен км от нейтронной звезды.
В двух из трех спектров также есть свидетельства того, что сигнатуры поглощения были смещены в сторону еще более красных длин волн, что соответствует расстоянию всего 0,04% от расстояния от нейтронной звезды до спутника. Однако эти сигнатуры обнаруживаются с меньшей уверенностью, чем сигнатуры, расположенные дальше от нейтронной звезды.
Ученым было предоставлено дополнительное время для наблюдения за Чандрой в следующем году, чтобы изучить эту систему более подробно.
