Теория Эйнштейна подтвердилась со второй попытки
Звездной аномалии, не вписывавшейся в теорию относительности, нашлось объяснение. Голландские астрономы экспериментально подтвердили предсказание отечественного теоретика Николая Шакуры, сделанное четверть века назад. Звезды в двойной системе DI Геркулеса крутятся «лежа на боку», и это спасает эйнштейновскую теорию.
Уверенность физиков в справедливости общей теории относительности основывается на нескольких классических тестах. Это и отклонение лучей света в поле тяготения Солнца, и замедление времени в гравитационном поле Земли, и задержка распространения радиосигналов между планетами. Однако первым еще в 1916 году стало простое и изящное объяснение медленного поворота орбиты Меркурия.
Эффект Эйнштейна
Эйнштейн же уже в одной из первых работ, завершивших создание общей теории относительности (ОТО), решил задачу движения небольшого тела по эллиптической орбите вокруг тяготеющего центра. В приложении к Меркурию эйнштейновская теория с точностью до 0,1% давала поправку ровно в 43 секунды дуги в столетие. По сравнению с другими поправками (той же сплюснутостью Солнца и уж тем более трением о солнечную корону) этот эффект безоговорочно доминировал, и безо всякой необходимости вводить какие-то ненаблюдаемые сущности.
Релятивистскому повороту линии апсид подвержены также и другие планеты, даже Нептун. Однако, как и большинство эффектов ОТО, это смещение становится тем заметнее, чем сильнее поле тяготения, а значит лучше всего его измерять у самой близкой к Солнцу планеты -- Меркурия.
Лучше Меркурия
На деле есть еще более подходящие для измерений места -- тесные двойные звезды. И суммарная масса двух светил здесь зачастую гораздо выше, чем масса всей Солнечной системы, и расположены они гораздо ближе друг к другу, чем Меркурий к Солнцу. А если их орбита еще и заметно вытянута, как у ближайшей к нашему светилу планете, получается превосходная астрономическая лаборатория для проверки эффектов теории относительности.
Одну из лучших таких «лабораторий» в конце 1970-х годов открыли астрономы Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ) при Московском университете -- тогдашний директор ГАИШ Дмитрий Яковлевич Мартынов и его сотрудник, ныне профессор Хабибрахман Файзрахманович Халиуллин. Это переменная звезда DI Геркулеса (DI Her), которая периодически «подмигивает» земному наблюдателю. Эти подмигивания -- результат взаимных затмений, при которых сначала первая звезда затмевает вторую, а затем вторая затмевает первую.
Период этих подмигиваний, он же период обращения двойной по своей орбите, всего полторы недели. Компоненты двойной -- довольно массивные звезды, в 4,5 и пять раз тяжелее нашего Солнца. Крутятся они на меньшем расстоянии, чем Меркурий от Солнца, а вытянутость их орбиты вдвое больше, чем у самой маленькой планеты Солнечной системы. Где же, как не здесь, проверять ОТО: скорость релятивистского поворота линии апсид в этой системе должна быть в 400 раз больше, чем у Меркурия, -- примерно четыре градуса за столетие вместо 43 угловых секунд. И что самое приятное, эта величина легко измеряется -- по нарушениям в «расписании» повторения затмений.
Эйнштейн дал осечку
Мартынов и Халиуллин проверили, сдаст ли теория относительности этот экзамен. К всеобщему изумлению, в случае с DI Her ОТО проверку не прошла -- измеренная скорость поворота линии апсид оказалась в четыре раза меньше положенного по Эйнштейну значения. Соответствующая статья была опубликована в 1980 году и вызвала вполне закономерную реакцию. Половина заинтересованных ученых бросились проверять наблюдения и расчеты отечественных астрономов, половина -- искать объяснения странному расхождению теории и наблюдений. В итоге результаты Мартынова и Халиуллина полностью подтвердились, а объяснений им было предложено столько же, сколько и аномальному повороту орбиты Меркурия в XIX веке.
Самые радикальные идеи простирались вплоть до замены ОТО модифицированной теорией -- знаменитый теоретик Джон Моффат, к примеру, считал DI Her лучшим аргументом в пользу своей «несимметричной» гравитации. Были и вариации на тему негравитационного взаимодействия двух компонент (например, через магнитные поля), сплюснутости обеих звезд и наличия в системе третьего тела -- далекой звезды или близкой планеты. Как и в случае с аномальной прецессией Меркурия, все эти объяснения сталкивались с трудностями, только на этот раз толковать их в пользу теории относительности уже не получалось.
Объяснение на боку
В 1985 году, спустя пять лет после работы Мартынова и Халиуллина, авторитетный теоретик Николай Иванович Шакура из того же ГАИШ МГУ предложил свое объяснение. Он вспомнил классический результат из теории движения спутников Земли. Если спутник обращается вокруг вращающейся сплюснутой Земли по экваториальной орбите, его линия апсид будет медленно смещаться в ту же сторону, что и у Меркурия. А вот если его запустить на такую же орбиту, проходящую через полюса, поворачиваться орбита будет в два раза медленнее и в сторону, противоположную движению по орбите.
Шакура вывернул этот результат наизнанку: он показал, что подобный эффект может уменьшить скорость поворота линии апсид, если звезды движутся по орбите «лежа на боку», то есть оси их вращения направлены не перпендикулярно плоскости орбиты, а более или менее параллельно ей.
По словам наследника Мартынова на посту директора ГАИШ академика Анатолия Михайловича Черепащука, это было смелое предположение, потому что астрономы полагают, что взаимодействие звезд в тесных системах должно выстраивать три оси вращения -- двух звезд и их взаимной орбиты более или менее в одном направлении. Кроме того, звезды должны были вращаться очень быстро, едва ли не на пределе устойчивости, пояснил академик корреспонденту Infox.ru.
Тем не менее, как показал Шакура, если хотя бы одна из звезд «лежит на боку» в пределах хотя бы 30 градусов, это может «спасти» эйнштейновскую теорию относительности. Вот только проверить это предположение не получалось почти четверть века.
Космические шестеренки
В нынешнем номере Nature опубликована статья ученых из Нидерландов, США и Германии, которая полностью подтверждает теорию Шакуры. Ученые под руководством Симона Альбрехта из обсерватории Лейденского университета умудрились измерить наклон оси двух звезд. Обе они лежат на боку, как и предсказывал московский теоретик.
Чтобы измерить наклон, ученые воспользовались так называемым эффектом Росситера--Маклафлина, из-за которого цвет звезд во время затмений едва заметно меняется.
Стандартная модель, в которой звезды крутились бы в той же плоскости, где обращаются вокруг друг друга, совершенно не вписывается в наблюдения. Более того, 22 спектров, полученных в прошлом году, оказалось достаточно, чтобы зафиксировать направление оси с точностью до нескольких градусов. Звезды действительно крутятся на боку -- ось вращения одной из них пронзает плоскость орбиты под углом 18 (плюс/минус 4) градусов, ось другой и вовсе лежит в ней в пределах ошибок, угол составляет всего 6 (+/-8) градусов. При этом крутятся звезды в разные стороны, как сцепленные шестеренки.
Новая загадка
К сожалению, этот метод не позволяет до конца восстановить ориентацию осей вращения (неопределенным остается угол их поворота к картинной плоскости), однако даже с учетом остающейся неопределенности противоречие с теорией относительности снимается. По подсчетам Альбрехта и его коллег, при имеющихся ограничениях скорость поворота линии апсид должна составить не 4, а от 0,5 до 1,5 градуса в столетие, при том что измерения Мартынова и Халиуллина дают один градус за 100 лет. Догадка Николая Ивановича Шакуры блестяще подтвердилась.
Правда, возникла новая задача: какой эволюционный процесс привел двойную звезду к такой странной конфигурации – вытянутая орбита и быстрое вращение в противоположные стороны, да еще «лежа на боку»? Альбрехт и его коллеги считают одним из самых простых объяснений влияние третьего тела, так называемый эффект Кодзаи. Так что наличие в системе третьего тела совсем не исключено, но ему теперь уже не придется спасать репутацию Эйнштейна.