Принцип сильной эквивалентности добавляет к принципу слабой эквивалентности одно условие: даже объекты, имеющие большую собственную массу (гравитацию), должны падать так же, как остальные. Такой объект, как планета или звезда, не рассыпается благодаря гравитации, а гравитационная энергия, удерживающая все его части вместе, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, эквивалентна определенной массе. Падает ли тело с такой массой так же, как тела, состоящие из обычного вещества, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, скажем стул?22 Падает ли тело с большой самогравитацией, как обычное материальное тело? “Как бы странно это ни звучало, но на самом деле вопрос разумный, – говорит Арчибальд. – В то время как общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что тело с большой самогравитацией падает точно так же, как и все остальные тела, почти все альтернативные теории предсказывают, что на самом деле его падение должно отличаться от падения обычных тел. Другими словами, они утверждают, что если у вас есть объект с большой силой тяжести, удерживающей его от рассыпания, то этот объект из-за сильной самогравитации будет падать иначе”.

В лаборатории невозможно создать объект с сильной гравитацией. До недавнего времени лучшая проверка принципа сильной эквивалентности проводилась в системе Земля-Луна-Солнце. Гравитация удерживает пару Земля-Луна и не дает им разлететься. Но гравитация Земли намного больше, чем гравитация Луны. Так что если Эйнштейн ошибался и самогравитация тел влияет на то, как они падают, то, возможно, Земля падала бы иначе, чем Луна. Но сбросить Землю и Луну с башни, как сбрасывал пушечные ядра с башни Новой церкви в Делфте фламандский ученый Симон Стевин, невозможно. Однако, поскольку Земля и Луна обращаются вокруг Солнца, они как бы постоянно “падают” на него. Это означает, что, если бы они испытывали разные ускорения из-за разной силы тяжести, Солнце разорвало бы пару Земля-Луна. “Благодаря отражателям, которые американские астронавты с кораблей «Аполлон» и советские луноходы оставили на Луне, у нас есть очень точные измерения, хотя их и немного [данные имеются в доступе]. И похоже, с большой уверенностью можно сказать, что нет никакой разницы в том, как Земля и Луна ускоряются Солнцем”, – говорит Арчибальд.

Для такого эксперимента не обязательно иметь три тела, но в нем должно присутствовать какое-то внешнее гравитационное поле. Астрономы провели гравитационные тесты с двойными системами, используя, например, пульсар и белый карлик, испытывающие притяжение гравитационного поля Галактики – так сказать, “падающие” на Галактику. Но проблема с такими тестами заключается в том, что реально Галактика приводит к крошечному ускорению системы пульсаров: она не очень сильно притягивает, поэтому разница в том, как она воздействует на два тела, также мала.

Однако в пульсарах хорошо то, что они чрезвычайно плотные объекты – такие же, как белые карлики и черные дыры, – и их энергия связи намного сильнее, чем у обычных тел. Например, для пульсара она составляет от 10 до 15 % его массы. Так что, если бы эта гравитационная энергия связи реагировала на гравитацию иначе, чем вещество, в системе нейтронных звезд это было бы гораздо заметнее.

Проблема в том, что, в то время как мы довольно много знаем о нашей Солнечной системе, мы не всегда знаем массу нейтронной звезды или ее компаньона. “Мы должны сначала узнать, как тело должно упасть в соответствии с теорией Эйнштейна, что сложно, если мы не знаем точно, насколько сильна внешняя гравитационная сила”, – говорит Арчибальд.

Например, когда астронавт Дэйв Скотт, стоя на Луне, ронял молоток и перо в 1971 году, он ронял их в условиях одинакового притяжения – и они упали одновременно. При проведении таких проверок необходимо, чтобы оба объекта падали при одном и том же гравитационном притяжении – внешнем по отношению к ним обоим. В системе Земля-Луна-Солнце гравитационное притяжение обусловлено третьим соседним телом, то есть Земля и Луна притягиваются (или “падают”) к Солнцу.

Необходимость внешнего гравитационного поля для проведения теста делала тройную систему “своего рода уникальной системой для проверки сильного принципа эквивалентности в тех условиях, которые мы не можем осуществить в системе Земля-Солнце, или в системе Луна-Солнце, или с пульсарами, которые являются просто некими объектами в гравитационном поле галактики”, говорит Линч.

Арчибальд и ее коллеги провели тест, используя свою компьютерную модель с точными параметрами, взятыми из их наблюдений, – и оказалось, что пульсар и внутренний белый карлик, конечно же, “падают” с одинаковой скоростью в гравитационном поле внешнего белого карлика, несмотря на то что нейтронная звезда намного массивнее своего компаньона по паре. Они выстроили модель, в которой допускалось нарушение сильного принципа эквивалентности и отклонение от него описывалось с помощью параметра, обозначенного дельтой. Если теория Эйнштейна верна, дельта должна была бы в точности равняться нулю. “Мы не просто брали параметры нормальной орбиты и пытались искать отклонения. В действительности мы напрямую пытались вставить наши измеренные данные в модель, построенную в предположении «неэйнштейновской физики»”, – говорит Арчибальд. Ученые смоделировали множество орбит с параметрами, в которых закладывалось отклонение от сильного принципа эквивалентности, но в результате оказалось, что те орбиты, для которых такие отклонения не вводились, то есть построенные в соответствии с теорией Эйнштейна, согласовывались с результатами их наблюдений лучше всего. Они нашли, что наилучшим значением параметра дельта был не в точности нуль, поскольку полностью шум устранить нельзя, но дельта равнялась нулю в пределах погрешности. Оказалось, что тройная система ведет себя именно так, как предсказывает теория Эйнштейна, и тест показал, что отклонения от расчетного значения равнялись всего трем миллионным.

К разочарованию некоторых ученых, эти расчеты также убили те альтернативные теории гравитации, в которых предполагалось, что пульсар и белый карлик по-разному падают в поле внешнего белого карлика. Эйнштейн снова оказался прав.

Что будет происходить дальше с общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации? По словам Зумалакарреги, эта проблема мешает ему спать по ночам. Но сейчас, по крайней мере, когда многие теории были исключены, можно сосредоточиться на немногих выживших и попытаться их улучшить. Надо надеяться, что в будущем Square Kilometer Array и другие радиотелескопы следующего поколения найдут больше необычных пульсарных систем, а это позволит ученым провести еще более точную проверку общей теории относительности, используя хронометрирование пульсаров. Обсерватория LISA, когда она будет запущена, в этом тоже должна очень помочь.

Тем не менее, говорит Арчибальд, теоретики, вероятно, несмотря ни на что, продолжат выдвигать новые теории. Одно открытие, которое астрономы надеются сделать в ближайшем будущем, поможет проверить общую теорию относительности еще точнее. Они собираются впервые исследовать систему пульсар – черная дыра с помощью либо какого-то существующего телескопа, например GBT, Arecibo или MeerKAT, либо нового телескопа из тех, которые только недавно введены в эксплуатацию или заработают в будущем, например FAST или SKA. Гравитация наиболее сильна в черных дырах, поэтому пульсар, обращающийся вокруг черной дыры, может быть идеальной тестовой массой для изучения структуры пространства-времени вблизи черной дыры. Это также поможет нам узнать больше о черных дырах, например, путем измерения их скорости вращения. В проекте под названием BlackHoleCam используется телескоп EHT и поставлена задача объединить данные по хронометрированию пульсаров и по получению изображений сверхмассивных черных дыр. Ученые надеются однажды обнаружить пульсар, обращающийся вокруг черной дыры, в идеале – вокруг Sgr А*. И если мы обнаружим больше одного пульсара, вопрос о том, что является источником избытка гамма-излучения в центре Галактики – темная материя или пульсары, – будет решен (см. главу 6). Очень скоро нейтронные звезды смогут помочь нам либо сбросить с пьедестала общую теорию относительности Эйнштейна, либо навсегда распрощаться со всеми альтернативными теориями гравитации.