3.3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОТКЛОНЕНИЮ СВЕТА И ЗАДЕРЖКЕ ВРЕМЕНИ: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ, СВЯЗАННЫХ С КРИВИЗНОЙ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Отклонение световых лучей Солнцем и дополнительная задержка времени возвращения сигнала радиолокатора, проходящего вблизи Солнца, определяют ППН-параметр у. Луч света (или фотон), проходящий мимо Солнца на расстоянии отклоняется на угол

([112, 113], ТМЭГ [2], § 7.2), где — масса Солнца и — угол между линией, соединяющей Землю и Солнце, и направлением приходящего фотона. Для луча, проходящего по касательной к Солнцу, и

независимо от частоты света. Радиолокационные сигналы, посланные через Солнечную систему к планетам или спутникам, находящимся за Солнцем, возвращаются на Землю, испытав дополнительную неньютоновскую задержку времени, которая дается соотношением ([114], ТМЭГ [2], § 7.2)

где — минимальное расстояние, на котором луч проходит от Солнца, выраженное в солнечных радиусах, — расстояние от планеты или спутника до Солнца, выраженное в астрономических единицах.

Измерения этих двух эффектов дают нам самое точное прямое определение значения параметра на сегодняшний день.

Предсказание отклонения луча света Солнцем явилось одним из величайших успехов эйнштейновской общей теории относительности. Эддингтон, наблюдая солнечное затмение сразу же по окончании первой мировой войны, подтвердил, что видимый свет от звезд действительно отклоняется Солнцем, после чего Эйнштейн стал знаменитым. Однако в экспериментах Эддингтона и его

сотрудников была достигнута точность всего лишь 30%, и последующие эксперименты были ненамного точнее: разброс результатов составлял от половины до удвоенной величины, предсказанной Эйнштейном, и точности оставались невысокими (см. обзоры [3, 10, 115]). Самое последнее оптическое измерение, проводившееся во время солнечного затмения 30 июня 1973 г., наглядно показывает сложность таких экспериментов. Было получено [116, 117]

Невысокая точность объяснялась плохой видимостью из-за пылевой бури непосредственно перед затмением, а также облачностью и дождями во время последующей экспедиции в ноябре 1973 г. В результате число изображений звезд, пригодных для измерений, резко сократилось. Кроме того, масштабы на фотопластинках, полученных во время затмения, к сожалению, отличались от масштабов на пластинках сравнения с изображением опорных звезд. Последние достижения в разработке фотоэлектронных и астрометрических средств, по-видимому, позволяют проводить измерения отклонения света независимо от солнечных затмений [118].

Развитие радиоинтерферометрии с длинными базами в корне изменило эту ситуацию. Методы интерферометрии с длинными и сверхдлинными базами предоставили принципиальную возможность измерения угловых размеров и вариаций углов с точностью лучше чем 3-10-4 угловых секунд. Этому техническому прогрессу благоприятствовал ряд «совпадений» на небе: каждый год группы мощных квазизвездных радиоисточников проходят на очень малом угловом расстоянии от Солнца (если смотреть с Земли); сюда входит группа а также группа Измеряя относительные отклонения сигналов от квазаров одной и той же группы, радиоастрономы за последние десять лет смогли определить коэффициент в соотношении (6), равный, согласно общей теории относительности, единице. Их результаты приведены на рис. 1.

Одним из главных источников ошибок в этих экспериментах является солнечная корона, отклоняющая радиоволны намного сильнее, чем лучи видимого света, отклонение которых наблюдал Эддингтон. Усовершенствованные методы измерения на двух частотах повысили точности, дав возможность учесть отклонение волн короной, поскольку оно зависит от длины волны и поэтому может быть измерено отдельно от гравитационного отклонения, которое от частоты не зависит. Фомалонт и Шрамек [131] дали полный обзор этих экспериментов и обсудили пути повышения их точности.

Эффект «задержки времени» не был предсказан Эйнштейном; только в 1964 г. этот эффект был обнаружен Шапиро [114] как теоретическое следствие общей теории относительности и других теорий гравитации (см. также [132]). В следующем десятилетии были

предприняты попытки измерить этот эффект, воспользовавшись радиолокацией целей, проходящих через точку «дальнего соединения» (цель расположена по другую сторону от Солнца, и сигналы радиолокатора проходят близко от Солнца).

Рис. 1. Результаты экспериментов с 1969 по 1975 г. по отклонению радиоволн.

Использовались три типа целей: планеты, такие, как Меркурий и Венера, играли роль пассивных отражателей радарных сигналов; космические корабли, такие, как «Маринер-6» и «Маринер-7», применялись как активные ретрансляторы радиолокационных сигналов, и, наконец, использовались комбинации планеты и космического корабля (космический корабль «на якоре»), такие, как «Маринер-9» на орбите вокруг Марса, орбитальные и спускаемые аппараты «Викинг» и др. Детальный анализ измеряемых задержек времени возвращения сигналов позволил получить значения коэффициента приведенные на рис. 2.

В этом случае, как и при измерении отклонения радиоволн, солнечная корона вносила неопределенности, связанные с замедлением локационных сигналов при прохождении короны; и снова измерения на двух частотах позволили уменьшить ошибки. Другими важнейшими источниками систематических ошибок являются.

1) возмущающие эффекты негравитационных сил, таких, как солнечный ветер, давление излучения и несбалансированные силы,

возникающие в системе контроля за положением космического корабля на траектории; 2) топография планет, не позволяющая определять с помощью пассивной радиолокации положение планет с точностью выше 0,5 км. Использование космических кораблей «на якоре», таких, как орбитальные корабли «Маринер-9» и «Викинг», и применение спускаемых аппаратов должно устранить оба источника указанных ошибок. Действительно, предварительная обработка данных, переданных с «Викинга», дала для величины точность примерно 0,5%, а окончательная точность может достичь 0,1% [138]. Подробные обзоры экспериментальных проблем и планов на будущее см. в работах [139] и [140].

Рис. 2. Результаты экспериментов с 1968 по 1977 г. по задержке времени.

Исходя из этих результатов, мы можем сделать вывод, что коэффициент отличается от единицы не более чем на 1%. В большинстве теорий, представленных в табл. 7, можно таким образом подобрать свободные параметры или граничные космологические условия, что это ограничение будет удовлетворяться. Чтобы коэффициент отличался от единицы не более чем на 1%, в скалярно-тензорных теориях следует принять если отклонение от единицы не превышает 2%.