Эксперимент и его результаты

Я познакомился с доктором Эдвардом Фомалонтом в 1996 г. во время работы по контракту в университете Хитоцубаши (Токио) и Японской Национальной Обсерватории (Митака, Токио). Эдвард приехал на один год для работы в Японском Институте Космических Исследований по программе японского космического интерферометра (VSOP). Я хорошо знал его работы по измерению релятивистского отклонения радиоволн от квазара в поле Солнца, которые он выполнил совместно с Ричардом Шрамеком в 1976-77 гг. На протяжении многих лет эти работы не были превзойдены по точности астрометрических измерений.

Моя следующая встреча с Эдвардом произошла спустя несколько лет в 2001 г. в США, куда я переехал со своей семьей для работы в университете штата Миссури (г. Колумбия). Размышляя над различными способами измерения предельной скорости распространения гравитационного взаимодействия, я пришел к выводу, что наиболее приемлемым небесным телом, которое помогло бы провести такое измерение, является Юпитер. Необходимость измерять угловое отклонение лучей света с точностью до 10 мкс дуги поставило меня перед трудной задачей выбора специалиста в области радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. К счастью, Эдвард продолжал (и продолжает) активно интересоваться релятивистскими экспериментами, требующими беспрецедентной точности, и с радостью согласился сотрудничать.

Поиск событий близких угловых сближений Юпитера с квазарами провел по моей просьбе сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, доктор физико-математических наук С.М. Кудрявцев, который нашел, что наиболее оптимальное сближение произойдет 8 сентября 2002 г., когда Юпитер будет проходить вблизи квазара J0842 + 1835 на угловом расстоянии 3.7'. Времени до этого момента оставалось совсем немного - полтора года, и нам пришлось готовиться к эксперименту ударными темпами.

В начале февраля 2001 г. я поехал на международное совещание по радиоинтерферометрии, организованное NASA в американском космическом центре имени Годдарда, и представил результаты моих теоретических изысканий в докладе, который вызвал небывалый интерес и оживленную дискуссию. Все участники совещания горячо поддержали идею эксперимента и рекомендовали немедленно подать заявку для наблюдений на американской радиоинтерферометрической системе VLBA. Так я и поступил, вернувшись с совещания в свой университет. Мы с Эдвардом запросили комиссию по наблюдениям на VLBA предоставить нам время для проведения тестовых измерений и основного эксперимента. Наша заявка была полностью поддержана Национальной Радиоастрономической Обсерваторией США. Нам также оказал поддержку радиоастрономический институт им. Макса Планка в Германии. Его 100-м полноповоротная антенна, расположенная вблизи г. Бонна, в местечке Эффельсберг, принимала активное участие в эксперименте, обеспечивая минимальное время наблюдения квазара, равное всего 1 мин, что было весьма существенным фактором, для достижения необходимого углового разрешения.

Мы разработали модернизированный вариант фазово-калибровочного метода радиоинтерферометрических измерений. Стандартный метод использует только один калибровочный источник, но в нашем случае этого было недостаточно. Мы собирались измерять не просто величину смещения опорного квазара в плоскости неба, но и направление смещения, чтобы измерить величину деформации круга Эйнштейна для установления верхнего предела скорости гравитации. Таким образом мы выбрали четыре калибровочных квазара, два из которых были расположены почти на одной прямой с основным. Угловое расстояние между основным и калибровочными квазарами приблизительно равно 1°. Этот угол достаточен, чтобы гравитационное поле Юпитера практически не влияло на видимые положения калибровочных квазаров. Мы провели серию тестовых измерений за несколько месяцев до основного эксперимента и решили использовать только два калибровочных квазара (J0842 + 1835 и J0854 + 2006), что обеспечивало нам более длительное накопление сигнала от каждого из них с соответствующим увеличением точности наблюдений.

Рис.6 - Схема расположения основного (№ 1) и калибровочных (№№ 2, 3, 4, 5) квазаров на небесной сфере, используемых для построения высокоточной опорной системы координат. Прямая линия показывает движение Юпитера с 3 по 13 сентября 2002 г. Минимальное угловое расстояние между Юпитером и основным квазаром 8 сентября составило 3.7', что эквивалентно 7 полным дискам Юпитера. В основном эксперименте использовались квазары 1, 2, 3.

Наблюдения в основном эксперименте проводились в течении пяти дней - 4, 7, 8, 9 и 12 сентября. Максимальное сближение Юпитера с базовым квазаром J0839 + 1802 происходило 8 сентября - в день, когда мы и проводили измерение верхнего предела скорости гравитационного взаимодействия. Наблюдательная схема была устроена следующим образом. Все 10 радиотелескопов VLBA и антенна в Эффельсберге "смотрели" на один квазар в течение 1 мин, затем все антенны синхронно направлялись на другой казар и также наблюдали его 1 мин, после этого происходило синхронное переключение всех антенн на третий квазар и его наблюдение в течение 1 мин. С завершением одного цикла немедленно начинался следующий. В течение одного дня было возможно совершить сто полных циклов, что определялось зоной совместной видимости квазаров используемыми антеннами. Такая схема позволила нам исключить мелкомасштабные флуктуации земной атмосферы и получить относительную точность измерения углового расстояния между квазарами 10 мкс дуги. При этом мы полностью подтвердили теоретические идеи и числовые расчеты данного эксперимента и доказали, что:

Юпитер действительно отклоняет лучи света наиболее сильно, когда находится в "запаздывающем" положении, смещенном относительно его настоящего положения назад по орбите на угол, отнесенный к центру масс солнечной системы и равный отношению орбитальной скорости Юпитера к скорости гравитации;

данный эффект "запаздывания" обусловлен аберрацией силовых линий гравитационного поля Юпитера, движущегося относительно центра масс Солнечной системы;

эффект аберрации гравитационных силовых линий указывает на конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия;

предельная скорость распространения гравитационного взаимодействия численно равна константе скорости света в вакууме с экспериментальной точностью 20%;

эффекты свободных гравитационных волн в эксперименте пренебрежимо малы.

Мы хотели бы подчеркнуть, что предельная скорость распространения гравитационного взаимодействия была определена исключительно по форме гравитационного смещения наблюдаемого положения квазара на небе от его расчетного положения в каталоге. Сам Юпитер мы не наблюдали, так как ширина диаграммы направленности системы "VLBA - 100м антенна в Эффельсберге" существенно меньше 3'. Величина гравитационного влияния Юпитера и скорость этого влияния на отклонение лучей света квазара было определено позднее, в результате обработки данных наблюдений квазара. Таким образом, любые попытки утверждать, что мы измерили скорость радиоволн, распространяющихся от Юпитера к Земле, как заявляют некоторые зарубежные физики (Н. Асада и С. Самуэль) незнакомые ни с нашими экспериментальными данными, ни с процедурой обработки наблюдений, являются грубой ошибкой.