Спутник без электроники подтвердил теорию относительности Эйнштейна, измерив закрученное пространство-время вокруг Земли

Спутник LARES-2 в сотрудничестве с аппаратом NASA снизил погрешность вычислений до 0,2% и опровергнул часть альтернативных моделей

Группа исследователей из Уханьского института физики и математики опубликовала в журнале Nature данные о самых точных на сегодняшний день измерениях эффекта увлечения инерциальных систем отсчёта. Физики зафиксировали, как масса Земли «изгибает» пространство-время вокруг себя. 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, которые его смоделировали 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. У сверхмассивных чёрных дыр этот феномен проявляется достаточно явно, однако вокруг небольших тел, таких как Земля, эффект крайне слаб, что делает его непосредственное измерение сложной задачей.

Для регистрации таких слабых гравитационных отклонений использовался аппарат LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2), разработанный Итальянским космическим агентством. Спутник представляет собой цельный шар из никель-хромового сплава диаметром около 40 сантиметров и массой около 295 килограммов. На нём отсутствуют двигатели, солнечные панели или бортовая электроника. Вся поверхность устройства покрыта 303 уголковыми отражателями. Эта плотная и тяжёлая конструкция обеспечивает наименьшее соотношение площади поверхности к массе среди всех спутников на средней орбите, минимизируя влияние любых негравитационных сил на полёт.

С июля 2022 года по июнь 2025 года наземные станции облучали спутник лазерами, фиксируя возвращённые отражателями световые сигналы. Учёные собрали массив из 200 000 измерений 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 отделить 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 воздействием Луны и Солнца. Эту проблему удалось решить 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 полностью совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.

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