Кредит за изображение: NRAO
Теоретизиран от Айнщайн в продължение на почти един век, физиците откриват доказателства в подкрепа на теорията, че силата на гравитацията се движи със скоростта на светлината. Различията в това как изображението на квазара беше огънато се отчитаха за тази скорост на гравитация.
Възползвайки се от рядко космическо изравняване, учените направиха първото измерване на скоростта, с която се разпространява силата на гравитацията, давайки числова стойност на една от последните неизмерими основни константи на физиката.
„Нютон смяташе, че силата на гравитацията е моментална. Айнщайн предположи, че той се движи със скоростта на светлината, но досега никой не го е измервал “, казва Сергей Копейкин, физик от университета в Мисури-Колумбия.
„Определихме, че скоростта на разпространение на гравитацията е равна на скоростта на светлината с точност от 20 процента“, казва Ед Фомалонт, астроном в Националната радиоастрономическа обсерватория (NRAO) в Шарлотсвил, Вирджиния. Учените представиха своите открития на срещата на Американското астрономическо общество в Сиатъл, САЩ.
Основното измерване е важно за физиците, работещи по обединени теории на полето, които се опитват да комбинират физиката на частиците с общата теория на относителността и електромагнитната теория на Айнщайн.
„Нашето измерване поставя някои силни граници на теориите, които предлагат допълнителни измерения, като теория на суперструните и теории на скобите“, каза Копейкин. „Познаването на скоростта на гравитацията може да осигури важен тест за съществуването и компактността на тези допълнителни измерения“, добави той.
Теорията на суперструните предполага, че основните частици на природата не са точкови, а по-скоро невероятно малки бримки или струни, чиито свойства се определят от различни режими на вибрация. Бранс (дума, получена от мембрани) са многоизмерни повърхности, а някои съвременни физически теории предлагат пространствено-времеви брани, вградени в пет измерения.
Учените използваха много дългия изходен масив от Националната фондация за наука (VLBA), широкоевропейска радио-телескопна система, заедно със 100-метровия радио телескоп в Ефелсберг, Германия, за да направят изключително прецизно наблюдение, когато планетата Юпитер минава близо в пред светъл квазар на 8 септември 2002 г.
Наблюдението регистрира много леко „огъване“ на радиовълните, идващи от фоновия квазар от гравитационния ефект на Юпитер. Огъването доведе до малка промяна във видимото положение на квазара в небето.
"Тъй като Юпитер се движи около Слънцето, точното количество на огъване зависи леко от скоростта, с която гравитацията се разпространява от Юпитер", каза Копейкин.
Юпитер, най-голямата планета в Слънчевата система, минава достатъчно близо до пътя на радиовълните от подходящо ярък квазар около веднъж на десетилетие, за да бъде извършено такова измерване, казаха учените.
Небесното подравняване веднъж на десетилетие беше последното във верига от събития, които направиха възможно измерването на скоростта на гравитацията. Другите включват случайна среща на двамата учени през 1996 г., пробив в теоретичната физика и разработването на специализирани техники, които позволяват да се направи изключително прецизно измерване.
„Никой не се е опитвал да измери скоростта на гравитацията преди, тъй като повечето физици са предполагали, че единственият начин да се направи това е да се открият гравитационни вълни“, припомни Копейкин. През 1999 г. обаче Копейкин разширява теорията на Айнщайн, за да включи гравитационните ефекти на движещо се тяло върху светлинни и радиовълни. Ефектите зависели от скоростта на гравитацията. Разбра, че ако Юпитер се движи почти пред звезда или радиоизточник, той може да тества теорията си.
Копейкин проучи прогнозираната орбита на Юпитер за следващите 30 години и откри, че гигантската планета ще премине достатъчно близо пред квазара J0842 + 1835 през 2002 г. Въпреки това той бързо разбра, че ефектът върху видимото положение на квазара в небето се дължи скоростта на гравитацията ще бъде толкова малка, че единствената наблюдателна техника, способна да я измери, беше много дълга базова интерферометрия (VLBI), техниката, въплътена в VLBA. Тогава Копейкин се свърза с Fomalont, водещ експерт по VLBI и опитен наблюдател на VLBA.
„Веднага осъзнах важността на експеримент, който може да направи първото измерване на основна константа на природата“, казва Фомалонт. „Реших, че трябва да дадем най-добрия си кадър“, добави той.
За да получат необходимото ниво на точност, двамата учени добавиха телескопа на Ефелсберг към наблюдението си. Колкото по-широко е разделението между две антени за радио-телескоп, толкова по-голяма е разрешаващата сила или способността да виждате фини детайли, постижими. VLBA включва антени на Хаваите, континенталните Съединени щати и Сейнт Круас в Карибите. Антена от другата страна на Атлантика добави още по-голяма мощност.
„Трябваше да направим измерване с около три пъти по-голяма точност от всеки, който някога е правил, но по принцип знаехме, че може да се направи“, каза Фомалонт. Учените тестваха и усъвършенстваха техниките си в „сухи писти“, след което изчакаха Юпитер да премине пред квазара.
Чакането включваше значително ухапване на нокти. Неизправност на оборудването, лошо време или електромагнитна буря на самия Юпитер може да саботира наблюдението. Въпреки това, късметът издържа и наблюденията на учените при радиочестота 8 GigaHertz дадоха достатъчно добри данни, за да направят своето измерване. Те постигнаха точност, равна на ширината на човешка коса, гледана от 250 мили.
„Основната ни цел беше да изключим безкрайната скорост на гравитацията, а ние се справихме още по-добре. Вече знаем, че скоростта на гравитацията вероятно е равна на скоростта на светлината и можем уверено да изключим всяка скорост за гравитация, която е над два пъти по-голяма от тази на светлината “, каза Фомалонт.
Повечето учени, каза Копейкин, ще бъдат облекчени, че скоростта на гравитацията е в съответствие със скоростта на светлината. „Вярвам, че този експеримент хвърля нова светлина върху основите на общата относителност и представлява първото от много други проучвания и наблюдения на гравитацията, които в момента са възможни поради изключително високата точност на VLBI. Имаме много повече да научим за тази интригуваща космическа сила и нейната връзка с другите сили в природата “, каза Копейкин.
Това не е първият път, когато Юпитер играе роля в производството на измерване на основна физическа константа. През 1675 г. Олаф Ромер, датски астроном, работещ в Парижката обсерватория, направи първото разумно точно определяне на скоростта на светлината, като наблюдава затъмненията на една от луните на Юпитер.
Оригинален източник: NRAO News Release
