Одно из предсказаний в общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что любое вращающееся тело сдвигает вокруг себя самую ткань пространства-времени. Это явление известно как «перетаскивание кадров».

В повседневной жизни перетаскивание кадров несущественно, так как эффект невероятно мал. Для обнаружения этого эффекта, вызванного всем вращением Земли, требуются спутники, такие как «гравитационный зонд B» стоимостью 750 миллионов долларов, который обнаружил угловые изменения в гироскопах, эквивалентные одному градусу каждые 100 000 лет или около того.

К счастью для нас, во Вселенной есть много естественных гравитационных лабораторий, где физики могут наблюдать предсказания Эйнштейна во всей красе.

Исследование команды ученых, опубликованное в журнале «Наука», выявляет свидетельства перетаскивания кадров в гораздо более заметном масштабе с использованием радиотелескопа и уникальной пары компактных звезд, вращающихся вокруг друг друга с головокружительной скоростью.

Движение этих звезд могло бы озадачить астрономов во времена Ньютона, поскольку они явно движутся в искривленном пространстве-времени, и для объяснения их траекторий требуется общая теория относительности Эйнштейна.

Общая теория относительности является основой современной теории гравитации. Это объясняет точное движение звезд, планет и спутников, и даже течение времени. Одно из ее менее известных предсказаний состоит в том, что вращающиеся тела увлекают за собой пространство-время. Чем быстрее объект вращается и чем массивнее он, тем заметнее сдвижение пространства-времени.

Один тип объекта — белый карлик. Это остатки мертвых звезд, которые когда-то были в несколько раз больше массы нашего Солнца, но исчерпали свое водородное топливо.

То, что осталось, по размеру похоже на Землю, но в сотни тысяч раз массивнее. Белые карлики также могут вращаться очень быстро, делая полный оборот каждую минуту или две, а не 24 часа, как Земля.

Перетаскивание кадра, вызванное таким белым карликом, будет примерно в 100 миллионов раз мощнее земного.

Это все хорошо, но мы не можем лететь к белому карлику и запускать спутники вокруг него. К счастью, природа добра к астрономам и имеет свой собственный способ позволить нам наблюдать их через орбитальные звезды, называемые пульсарами.

Двадцать лет назад радиотелескоп CSIRO Parkes обнаружил уникальную звездную пару, состоящую из белого карлика (размером с Землю, но примерно в 300 000 раз тяжелее) и радиопульсара (размером с небольшой город, но в 400 000 раз тяжелее Земли).

По сравнению с белыми карликами, пульсары вообще на другом уровне. Они состоят не из обычных атомов, а из нейтронов, сжатых вместе, что делает их невероятно плотными. Более того, пульсар вращается 150 раз за минуту.

Это означает, что 150 раз в минуту «луч маяка» радиоволн, излучаемых этим пульсаром, проносится мимо нашей точки зрения здесь, на Земле. Мы можем использовать это, чтобы отобразить путь движения пульсара, когда он вращается вокруг белого карлика, по времени, когда его импульс достигнет нашего телескопа и зная скорость света. Этот метод показал, что две звезды делают оборот вокруг друг друга менее чем за 5 часов.

Эта пара, официально названная PSR J1141-6545, является идеальной гравитационной лабораторией. С 2001 года ученые несколько раз в год ездили к CSIRO Parkes, чтобы составить карту орбиты этой системы, которая демонстрирует множество эйнштейновских гравитационных эффектов.

Несмотря на то, что PSR J1141-6545 находится на расстоянии нескольких сотен квадриллионов километров (квадриллион — миллион миллиардов), мы знаем, что пульсар вращается 2,5387230404 раза в секунду и что его орбита балансирует.

Это означает, что плоскость его орбиты не фиксирована, а медленно вращается.

Как образовалась эта система?

Когда возникают пары звезд, самая массивная умирает первой, часто создавая белого карлика. Прежде чем умирает вторая звезда, она передает вещество своему спутнику.

Диск формируется, когда этот материал падает в сторону белого карлика, и в течение десятков тысяч лет он ускоряет белого карлика.

В таких редких случаях, как этот, вторая звезда может взорваться сверхновой, оставив после себя пульсар. Быстро вращающийся белый карлик тащит за собой пространство-время, заставляя орбитальную плоскость пульсара наклоняться. Этот наклон — это то, что мы наблюдали при нашем картографировании орбиты пульсара.

Сам Эйнштейн думал, что многие из его предсказаний о пространстве и времени никогда не будут обнаружены. Но в последние несколько лет произошла революция в экстремальной астрофизике, включая открытие гравитационных волн и снимков черной дыры с помощью всемирной сети телескопов.

Мэтью Бейлс, научный сотрудник ARC, Технологический университет Суинберна, Научный сотрудник Института Макса Планка.