Получено самое точное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна: спутник без электроники измерил эффект закручивания пространства-времени вокруг Земли

Команда учёных из Уханьского института физики и математики опубликовала в журнале Nature результаты самых точных на сегодняшний день измерений эффекта увлечения инерциальных систем отсчёта. Физики зафиксировали, как масса Земли «закручивает» вокруг себя пространство-время. Погрешность измерений составила всего 0,2%, что на порядок превосходит все предыдущие результаты, где неопределённость достигала 10%.

«Эффект увлечения инерциальных систем отсчёта», также известный как «эффект Лензе-Тирринга» в честь физиков, смоделировавших его в 1918 году, был впервые предсказан в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Чем массивнее объект и чем быстрее он вращается, тем сильнее он искажает окружающее пространство. Около сверхмассивных чёрных дыр этот феномен проявляется очевидно, однако вокруг небольших тел вроде Земли эффект крайне слаб, что делает его прямое измерение сложнейшей задачей.

Для фиксации столь слабых гравитационных отклонений использовался аппарат LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2), разработанный Итальянским космическим агентством. Спутник представляет собой сплошной шар из никель-хромового сплава диаметром около 40 сантиметров и массой около 295 килограммов. На нём нет двигателей, солнечных панелей или бортовой электроники. Вся поверхность аппарата покрыта 303 уголковыми отражателями. Такая плотная и тяжёлая конструкция обеспечивает наименьшее отношение площади поверхности к массе среди всех спутников на средней орбите, сводя к минимуму влияние любых негравитационных сил на полёт.

Фото: ESA-CNES-ARIANESPACE / CSG; P Baudon

С июля 2022 года по июнь 2025 года наземные станции облучали спутник лазерами, фиксируя возвращённые отражателями световые сигналы. Учёные собрали массив из 200 000 наблюдений с точностью до 1 миллиметра. При этом земная гравитация неравномерна: из-за центробежной силы планета сплюснута у полюсов, что создаёт мощные ньютоновские силы, которые полностью маскируют искомый релятивистский сигнал увлечения пространства.

Чтобы отфильтровать классическую гравитацию, авторы работы объединили данные LARES-2 с показаниями американского аппарата LAGEOS, запущенного NASA в 1976 году. Орбитальные плоскости двух спутников разнесены на 180,01°, что почти идеально соответствует необходимым 180° для взаимного математического гашения возмущающих сил. Дополнительной помехой выступал лунно-солнечный прилив K1 — колебание гравитационного поля Земли под действием Луны и Солнца. Эту проблему решили с помощью времени: влияние прилива взаимно компенсируется в течение 1050-дневного цикла прецессии, что позволило очистить итоговые данные, используя программное обеспечение GEODYN от Центра космических полётов имени Годдарда NASA.

После очистки массива от помех физики зафиксировали смещение орбит спутников на 61,3 миллисекунды дуги в год, вызванное исключительно вращением Земли. Полученное значение идеально совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.

Авторы работы подчёркивают, что результат не только подтверждает общую теорию относительности, но и жёстко ограничивает альтернативные модели, такие как теория Черна-Саймонса (Chern-Simons gravity), пытающаяся примирить теорию относительности с современной квантовой механикой. Кроме того, в ходе эксперимента удалось получить самые точные данные о лунно-солнечном приливе K1, что важно для будущих геофизических измерений планеты.

©  iXBT