Allmän relativitetsteori förutsäger många effekter. Först och främst, för svaga gravitationsfält och långsamt rörliga kroppar, återger den förutsägelserna från den Newtonska gravitationsteorin , som den borde vara enligt överensstämmelseprincipen . Dess specifika effekter manifesteras i starka fält (till exempel i kompakta astrofysiska objekt) och/eller för relativistiskt rörliga kroppar och objekt (till exempel ljusavböjning). När det gäller svaga fält förutsäger den allmänna relativitetsteorin endast svaga korrigeringseffekter, som dock redan har uppmätts i fallet med solsystemet med en noggrannhet av en bråkdel av en procent och som rutinmässigt tas i beaktande i rymden navigationsprogram och rapportering av astronomiska observationer .
För första gången beskrevs accelerationens inflytande på referensramar av Albert Einstein redan 1907 [1] inom ramen för den speciella relativitetsteorin . Således finns några av effekterna som beskrivs nedan också i den, och inte bara i den allmänna relativitetsteorien. (Men deras fullständiga beskrivning, i överensstämmelse med experimentet, är möjlig endast inom ramen för den allmänna relativitetsteorin; till exempel ger avböjningen av en ljusstråle i ett gravitationsfält, beräknad inom ramen för SRT, ett resultat två gånger lika liten som i allmän relativitetsteori och i observationer.) [1]
Den första av dessa effekter är gravitationstidsdilatation , på grund av vilken vilken klocka som helst kommer att gå ju långsammare desto djupare i gravitationsbrunnen (närmare den graviterande kroppen) den är. Denna effekt bekräftades direkt i Hafele-Keating-experimentet [2] och tas med i beräkningen i satellitnavigeringssystem ( GPS , GLONASS , Galileo ) [3] . Frånvaron av sådan redovisning skulle leda till en drift på tiotals mikrosekunder per dag (det vill säga en förlust av positioneringsnoggrannhet, mätt i kilometer per dag).
En direkt relaterad effekt är ljusets gravitationsrödförskjutning . Denna effekt förstås som en minskning av ljusets frekvens i förhållande till den lokala klockan (respektive en förskjutning av spektrallinjerna till den röda änden av spektrumet i förhållande till lokala skalor) när ljus fortplantar sig ut ur gravitationsbrunnen (från ett område med lägre gravitationspotential till ett område med högre potential). Gravitationsrödförskjutning upptäcktes i spektra av stjärnor och solen och bekräftades tillförlitligt i experimentet med Pound och Rebka [4] [5] [6] .
Gravitationstidsdilatation innebär en annan effekt som kallas Shapiro-effekten (även känd som gravitationssignalfördröjning). På grund av denna effekt färdas elektromagnetiska signaler längre i gravitationsfältet än i frånvaro av detta fält. Detta fenomen har upptäckts under radarn av solsystemets planeter , när man kommunicerar med rymdfarkoster som passerar bakom solen, och även när man observerar signaler från binära pulsarer [7] [8] .
Krökning av ljusets väg uppstår i vilken accelererad referensram som helst. Detaljerna i den observerade banan och gravitationslinseffekterna beror dock på rumtidens krökning. Einstein beräknade först avböjningen av en ljusstråle i ett gravitationsfält 1907 , samtidigt som han höll sig inom SRT och tillämpade den lokala ekvivalensprincipen ; kurvornas krökning visade sig vara densamma som den som förutspåtts av klassisk mekanik för partiklar som rör sig med ljusets hastighet [1] . Det var inte förrän 1916 som Einstein upptäckte att vinkelförskjutningen i ljusets utbredningsriktning i allmän relativitet är dubbelt så stor som i den Newtonska teorin [9] [10] . Således har denna förutsägelse blivit ett annat sätt att testa allmän relativitet.
Sedan 1919 har detta fenomen bekräftats av astronomiska observationer av stjärnor under solförmörkelser , såväl som av radiointerferometriska observationer av kvasarer som passerar nära solen under dess resa längs ekliptikan [11] .
Under påverkan av solens enorma massa förvrängs synen av himmelssfären inte bara nära den, utan också på stora vinkelavstånd, om än i mindre utsträckning. Noggranna astrometriska observationer av stjärnornas positioner av Hipparcos-satelliten bekräftade effekten. Satelliten gjorde 3,5 miljoner mätningar av stjärnors position med ett typiskt fel på 3 tusendelar av en bågsekund (millibågsekunder, mas). Med mätningar med sådan noggrannhet blir till och med solens gravitationsavböjning av ljuset från en stjärna som är 90° borta från solen på himmelssfären signifikant; i en sådan "kvadratur"-position är denna avvikelse lika med 4,07 mas . På grund av solens årliga rörelse i himmelssfären ändras stjärnornas avvikelser, vilket gör det möjligt att studera avvikelsens beroende av solens och stjärnans relativa position. Rot-medelkvadratfelet för den uppmätta gravitationsavvikelsen, i medeltal över alla mätningar, var 0,0016 mas , även om systematiska fel försämrar noggrannheten med vilken mätningar överensstämmer med GR-förutsägelser till 0,3 % [12] .
Gravitationslinsning [13] uppstår när ett avlägset massivt föremål är nära eller direkt på linjen som förbinder observatören med ett annat föremål mycket längre bort. I det här fallet leder krökningen av ljusbanan med en närmare massa till en förvrängning av formen på det avlägsna objektet, vilket vid låg observationsupplösning främst leder till en ökning av den totala ljusstyrkan hos det avlägsna objektet, så detta fenomen kallades linsning. Det första exemplet på gravitationslinser var förvärvet 1979 av två nära bilder av samma kvasar QSO 0957+16 A, B ( z = 1,4 ) av engelska astronomerna D. Walsh et al unisont, astronomer insåg att de faktiskt var två bilder av samma kvasar, på grund av effekten av en gravitationslins. Snart hittade de själva linsen, en avlägsen galax (z=0,36) som låg mellan jorden och kvasaren” [14] . Sedan dess har många andra exempel på avlägsna galaxer och kvasarer som påverkats av gravitationslinser hittats. Till exempel är det så kallade Einsteinkorset känt när galaxen fyrdubblar bilden av en avlägsen kvasar i form av ett kors.
En speciell typ av gravitationslinsning kallas en Einstein-ring eller båge . En Einstein-ring uppstår när ett observerat föremål är direkt bakom ett annat föremål med ett sfäriskt symmetriskt gravitationsfält. I det här fallet ses ljuset från det mer avlägsna föremålet som en ring runt det närmare föremålet. Om det avlägsna föremålet är något förskjutet åt ena sidan och/eller gravitationsfältet inte är sfäriskt symmetriskt, kommer delringar som kallas bågar att dyka upp istället.
Slutligen kan vilken stjärna som helst öka i ljusstyrka när ett kompakt massivt föremål passerar framför den. I det här fallet kan förstorade och gravitationsmässigt förvrängda bilder av den avlägsna stjärnan inte lösas (de är för nära varandra), och stjärnan ökar helt enkelt i ljusstyrka. Denna effekt kallas mikrolinsning , och den observeras nu regelbundet inom ramen för projekt som studerar de osynliga kropparna i vår galax genom gravitationell mikrolinsning av ljus från stjärnor - MACHO [15] , EROS och andra.
Ett svart hål är ett område som begränsas av den så kallade händelsehorisonten , som varken materia eller information kan lämna . Det antas att sådana regioner kan bildas, i synnerhet som ett resultat av kollapsen av massiva stjärnor . Eftersom materia kan komma in i ett svart hål (till exempel från det interstellära mediet ), men inte kan lämna det, kan massan av ett svart hål bara öka med tiden.
Stephen Hawking visade dock att svarta hål kan förlora massa [16] på grund av strålning, kallad Hawking-strålning . Hawkingstrålning är en kvanteffekt som inte bryter mot den klassiska allmänna relativitetsteorien.
Många kandidater för svarta hål är kända, i synnerhet ett supermassivt föremål associerat med Sagittarius A* -radiokällan i mitten av vår galax [17] . De flesta forskare är övertygade om att de observerade astronomiska fenomen som är förknippade med detta och andra liknande objekt på ett tillförlitligt sätt bekräftar förekomsten av svarta hål, men det finns andra förklaringar: till exempel föreslås bosoniska stjärnor och andra exotiska objekt istället för svarta hål [18] .
Allmän relativitetsteori korrigerar förutsägelserna från den Newtonska teorin om himlamekanik angående dynamiken i gravitationsbundna system: solsystemet , binära stjärnor, etc.
Den första effekten av generell relativitetsteori var att perihelionerna för alla planetbanor skulle precessera , eftersom Newtons gravitationspotential skulle ha ett litet tillägg, vilket leder till bildandet av öppna banor . Denna förutsägelse var den första bekräftelsen av den allmänna relativitetsteorien, sedan omfattningen av precessionen, som härleddes av Einstein 1916 , helt sammanföll med den anomala precessionen av Merkurius perihelion [19] . Således var det välkända problemet med himlamekaniken [20] löst vid den tiden .
Senare observerades även relativistisk perihelionprecession vid Venus, Jorden och som en starkare effekt i det binära pulsarsystemet . [21] För upptäckten av den första dubbelpulsaren PSR B1913+16 1974 och studiet av utvecklingen av dess orbitala rörelse, där relativistiska effekter manifesteras, fick R. Hulse och D. Taylor Nobelpriset i fysik 1993 [22] .
En annan effekt är en förändring i omloppsbanan som är förknippad med gravitationsstrålningen från ett binärt (och mer multipelt) system av kroppar. Denna effekt observeras i system med nära placerade stjärnor och består i en minskning [23] av omloppsperioden. Den spelar en viktig roll i utvecklingen av närliggande binära och multipelstjärnor [ 24] . Effekten observerades för första gången i det tidigare nämnda PSR B1913+16- systemet och sammanföll med GR-förutsägelser med en noggrannhet på 0,2 %.
En annan effekt är geodetisk precession . Det representerar precessionen av polerna hos ett roterande föremål på grund av parallella translationseffekter i krökt rum-tid. Denna effekt saknas i den Newtonska gravitationsteorin. Förutsägelsen av geodetisk precession testades i ett experiment med NASA :s Gravity Probe B - sond . Francis Everitt, chef för forskning om data som erhållits av sonden, vid ett plenarmöte i American Physical Society den 14 april 2007, uttalade att analysen av gyroskopdata gjorde det möjligt att bekräfta den geodetiska precession som förutspåtts av Einstein med en noggrannhet bättre än 1 % [25] . I maj 2011 publicerades de slutliga resultaten av bearbetningen av dessa data [26] : den geodetiska precessionen var −6601,8 ± 18,3 millisekunder båge (mas) per år, vilket inom det experimentella felet sammanfaller med värdet som förutspåtts av GR −6606,1 mas/år . Denna effekt har också tidigare verifierats av observationer av förskjutningen i omloppsbanorna för de geodetiska satelliterna LAGEOS och LAGEOS-2 och rotationen av rotationsaxeln för pulsaren PSR B1913+16 ; avvikelser från de teoretiska förutsägelserna av allmän relativitet avslöjades inte inom felgränserna.
Attraktionen av tröghetsreferensramar av en roterande kropp ligger i det faktum att ett roterande massivt föremål "drar" rumtiden i dess rotationsriktning: en avlägsen observatör i vila i förhållande till en roterande kropps masscentrum kommer att finna att den snabbaste klockan, det vill säga vilar i förhållande till en lokalt trög referensram , på ett fast avstånd från objektet är klockor som har en rörelsekomponent runt ett roterande föremål i rotationsriktningen, och inte de som är i vila i förhållande till betraktaren, som händer för ett icke-roterande massivt föremål. På liknande sätt kommer en avlägsen observatör att finna att ljus färdas snabbare i riktningen för ett föremåls rotation än mot dess rotation. Indragningen av tröghetsreferensramar kommer också att orsaka en förändring i gyroskopets orientering i tiden. För en rymdfarkost i polär omloppsbana är riktningen för denna effekt vinkelrät mot den geodetiska precession som nämns ovan .
Eftersom drageffekten av tröghetsreferensramar är 170 gånger svagare än effekten av geodetisk precession, har Stanford- forskare extraherat dess "fingeravtryck" i 5 år från information som erhållits om Gravity Probe B- satelliten, speciellt uppskjuten för att mäta denna effekt . I maj 2011 tillkännagavs de slutliga resultaten av uppdraget [26] : det uppmätta motståndsvärdet var -37,2 ± 7,2 millisekunder av båge (mas) per år, vilket sammanfaller med noggrannhet med GR-förutsägelsen: -39,2 mas/år .