Исследование эффектов второго порядка по гравитационному полю и возможности детектирования темной материи в космических экспериментах с атомными часами

Поиск отклонений от эйнштейновского принципа эквивалентности и ос-нованной на нем общей теории относительности (ОТО) имеет огромное значение как для фундаментальной физики, так и для задачи построения ГНСС нового поколения [1]. Одним из следствий принципа эквивалентности является эффект гравитационного замедления времени, или гравитационного смещения частоты, который имеет практическое значение и для существующих навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou. Отклонение величины гравитационного замедления времени от предсказываемой в рамках ОТО является неизбежным следствием большинства теорий объединенных взаимодействий, вследствие чего прецизионное измерение данного эффекта является сферой активного экспериментального исследования [2]. Атомные часы являются не-обходимым элементом значительного числа подобных экспериментов. В связи с недавним прогрессом в технике их создания (ростом стабильности и точности до 10^-18 и выше, в терминах относительной частоты) в ближайшее десятилетие ожидается увеличение на несколько порядков точности уже известных экспериментов, а также появляется возможность проведения измерений качественно нового типа. Поэтому заложение теоретического базиса для планирования и интерпретации результатов подобных экспериментов, исследование доступных для измерения эффектов и оценка предельной точности их измерения являются крайне важными задачами.

Нами построена теоретическая модель, описывающая преобразование частоты сигналов в космических экспериментах с использованием схемы компенсации нерелятивистского эффекта Доплера и учитывающая эффекты 2-го порядка по гравитационному полю и 4-го порядка по скорости КА. С ее помощью обоснована возможность и оценена точность измерения ряда параметров, характеризующих отклонения от ОТО в рамках метрических и неметрических теорий гравитации, с помощью КА, оснащенных различ-ными типами атомных часов. Например, параметр epsilon, характеризующий отклонение от ЭПЭ, в гравитационном поле Земли может быть измерен с точностью ~10^-10, что на 5 порядков лучше результата GREAT [3], а постньютоновский параметр gamma — с точностью ~10^-8, что на 3 порядка лучше результата Cassini [4]. Также появляется возможность проведения принципиально нового типа измерения спина Солнца [5] и детектирования темной материи, состоящей из легких скалярных частиц [6]. Для некоторых из этих экспериментов нами найдены оптимальные конфигурации орбит КА. Наконец, в докладе будет рассмотрен основанный на аналогичной схеме измерений перспективный эксперимент по сравнению скорости хода часов, расположенных на Земле и Луне. Точность измерения параметра epsilon, характеризующего отклонение от ЭПЭ в гравитационном поле Солнце, в данном эксперименте может достичь ~3×10^-8 (оптические часы I-SOC, время накопления 5 лет), что на 6 порядков лучше результата эксперимента с аппаратом Galileo.

Литература

1) Damour T. Theoretical aspects of the Equivalence principle // Classical and Quantum Gravity. 2012. Vol. 29. P. 184001.

2) Derevianko A., Gibble K., Hollberg L., et al. Fundamental physics with a state-of-the-art optical clock in space // Quantum Science and Technology. 2022. Vol. 7, no. 4. P. 044002.

3) Litvinov D., Pilipenko S. Testing the Einstein equivalence principle with two Earth-orbiting clocks // Classical and Quantum Gravity. 2021. Vol. 38, no. 13. P. 135010.

4) Litvinov D. A. Prospects for measuring the Post-Newtonian parameter using two satellites equipped with highly stable atomic clocks // Astronomy Letters. 2024. Vol. 50, no. 4. P. 221–229.

5) Pilipenko S. V., Zakhvatkin M. V., Litvinov D. A., Filetkin A. I. Measuring the Sun’s angular momentum using the gravitomagnetic frequency shift effect // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2024. Vol. 51, no. 2. P. 70–76.

6) Pilipenko S. V., Litvinov D. A., Zakhvatkin M. V., Filetkin A. I Principles of the wave dark matter detection in gravitational redshift experiments in the Solar System // Astronomy Reports. 2024. Vol. 68, no. 3. P. 300–311.