Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Одной из самых удивительных двойных систем является PSR J0737–3039. Ее открыла в 2003 г. итальянский радиоастроном Марта Бургей[38] при помощи 64-метрового радиотелескопа австралийской радиообсерватории Паркс. Цифры в названии системы – это своего рода небесный адрес: они представляют местоположение пульсара в небе в южном созвездии Кормы. (Первый пульсар, обнаруженный Джоселин Белл, официально называется PSR B1919+21, пульсар Халса – Тейлора в созвездии Орла – PSR B1913+16. Как свидетельствуют номера, они наблюдаются на небе недалеко друг от друга.)

В чем особенность J0737? Это единственная известная система, состоящая из двух пульсаров. Хотя первым открытым двойным пульсаром была двойная нейтронная звезда, импульсы регистрировались лишь от одного компонента системы. В J0737 обе нейтронные звезды наблюдаются как пульсары. Более того, они имеют очень тесную орбиту, следовательно, высокие скорости и сильные ускорения. Это дает возможности более точных измерений и дополнительных перекрестных проверок результатов.

У J0737 есть еще одна необычная особенность. Орбитальная плоскость, в которой кружатся два пульсара, видна нам практически с ребра. Каждые 1,2 часа (это половина орбитального периода) один оказывается позади другого, и его импульс проходит очень близко от ближнего пульсара для наблюдателя с Земли. Из-за сильного гравитационного поля время испытывает гравитационное замедление, и сигналу требуется больше времени, чтобы достичь наших радиотелескопов, чем в отсутствие этого эффекта. Эта задержка – так называемый эффект Шапиро – измерена с высокой точностью. Она именно такова, как предсказывает ОТО.

Ирвину Шапиро не могло прийти в голову, что метод проверки ОТО, названный его именем, будет применен к двойным пульсарам. В 1964 г., когда астрофизик MIT Шапиро описал этот эффект, пульсары еще не были открыты. Шапиро предложил эксперимент, в ходе которого сигналы радара отражались от поверхности Меркурия и Венеры во время верхнего солнцестояния, когда планета оказывается с дальней стороны от Солнца, с точки зрения земного наблюдателя. Сигналам радара пришлось бы проходить через гравитационное поле Солнца. Точные измерения времени прохождения импульсов показали бы величину задержки сигнала.

Первые эксперименты, поставленные Шапиро с коллегами в 1967 г., были не особенно точными, однако задержку удалось измерить, и результаты согласовывались с предсказаниями Эйнштейна. Впоследствии эффект Шапиро был также измерен (гораздо точнее) на коммуникационных радиосигналах космического зонда НАСА «Кассини», находящегося на орбите Сатурна с 2004 г. Самые свежие наблюдения за PSR J0737–3039 позволили добиться еще большей точности.

Другой поразительный двойной пульсар – PSR J1906+0746 был открыт в 2004 г. с помощью радиотелескопа в Аресибо. Он совершает оборот каждые 144 мс, выдавая почти 7 радиоимпульсов в секунду. Ничего особенного! (Постепенно привыкаешь ко всему, даже к существованию сверхплотных звезд размером с мегаполис, вращающихся со скоростью колеса мчащейся машины.) Но в 2008 г. импульсы начали слабеть и к 2015 г. совершенно пропали. Вот это нечто особенное!

Или нет? Затухание сигнала PSR J1906+0746 объясняется ОТО и вызывается геодезической прецессией, известной также как прецессия де Ситтера. Благодаря сильному искривлению пространственно-временного континуума ориентация оси вращения пульсара медленно меняется. (Тот же эффект был обнаружен Gravity Probe B, я рассказывал об этом в главе 3.) Намагниченный космический волчок вихляет. Вследствие этого узконаправленные пучки радиоволн перестают попадать на Землю. Для нас пульсар исчезает. К счастью, он предположительно должен вновь появиться примерно в 2170 г. Будущие радиоастрономы, сделайте пометку в календаре! (Кстати, и геодезическая прецессия, и эффект Шапиро были также обнаружены у пульсара Халса – Тейлора в 1989-м и 2016 г. соответственно.)

_________

Мы прошли долгий путь с того момента, когда «идиотские зеленые человечки» едва не погубили диссертацию Джоселин Белл. Полвека детективной работы астрономов позволили обнаружить свыше 2000 пульсаров в галактике Млечный Путь, в том числе десятки пульсаров в составе систем двойных звезд. Это замечательный материал для астрономов, желающих понять финальные стадии эволюции массивных звезд. Это ценные данные для специалистов по ядерной физике, изучающих поведение материи при экстремальной плотности. Для последователей Альберта Эйнштейна нет лучшего способа раскрыть секреты пространственно-временного континуума, чем работая с этими космическими гравитационными лабораториями.

В рамках нашей темы, разумеется, самым важным наблюдением является снижение орбиты двойных пульсаров. Тот факт, что орбитальный период пульсара Халса – Тейлора сокращается на 76 мкс в год, служит косвенным доказательством существования гравитационных волн. Напомню, что ускоряющиеся массы вызывают пульсацию пространственно-временного континуума – волны Эйнштейна. Волны уносят энергию. Потеря энергии системой двойных звезд приводит к сужению орбиты. Все просто!

Если вас интересует количество теряемой энергии, она огромна. Каждую секунду пульсар Халса – Тейлора лишается 7,53×1024 Дж. Это примерно в 1000 раз больше энергии, выделившейся 66 млн лет назад при столкновении с Землей астероида диаметром 10 км, повлекшем за собой вымирание динозавров. За секунду!

Если столько энергии перекачивается в пространственно-временной континуум, то возникающие при этом волны Эйнштейна должны быть гигантскими. По крайней мере так кажется на первый взгляд. Однако они крохотные. Невообразимо крохотные. Помните, я сравнивал встряхивание банки с желе и удар кувалдой по бетонному блоку? Пространственно-временной континуум обладает немыслимой жесткостью. Даже энергии тысячи столкновений с астероидами-убийцами в секунду недостаточно, чтобы вызвать в нем возмущение, которое можно было бы заметить.

Кстати, гравитационные волны пульсара Халса – Тейлора имеют очень низкую частоту. Орбитальный период 7,75 часа предполагает частоту около 73 мкГц. Соответствующая длина волны – гигантские 4,2 млрд км. Таким образом, мы говорим об исключительно длинных, низкочастотных, низкоамплитудных волнах. Есть ли у нас шансы измерить их? Ни единого, тем более с расстояния 20 000 св. лет.

Но в будущем ситуация улучшится. Две нейтронные звезды медленно, но верно сближаются по спирали. Чем ближе они друг к другу, тем меньше орбитальный период. Двойные системы излучают две гравитационные волны при каждом прохождении орбиты, поэтому частота пульсаций пространственно-временного континуума постепенно увеличивается – как и амплитуда волн, поскольку нейтронные звезды вращаются по сужающимся орбитам и испытывают все большие ускорения. Меньше длина волны, выше частота, больше амплитуда. Если мы будет достаточно терпеливы, то сможем напрямую обнаружить волны Эйнштейна, идущие от пульсара Халса – Тейлора. Это хорошие новости.