Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Если скорость вращения нейтронной звезды не меняется, значит, все странности со временем обнаружения импульсов объясняются каким-то другим физическим эффектом. Остается проводить измерения, анализировать данные, распутывать загадки, делать умозаключения и проверять выводы.

Эффект Доплера, обнаруженный Халсом, – это самая простая составляющая. Халс видел, как частота пульсаций возрастала, а затем убывала за период в 7 часов 45 минут. Если причиной является обращение пульсара по орбите, следовательно, период обращения также составляет 7 часов 45 минут (точнее, 7 часов 45 минут 7 секунд). Это первый параметр орбиты.

Если бы орбита представляла собой правильную окружность, то наблюдаемая частота импульсов менялась бы постепенно и симметрично. Но это не так. В среднем частота равна 16,94 импульса в секунду (что соответствует угловой скорости вращения 59,03 мс). Около 5 часов при каждом орбитальном витке наблюдается меньшая частота, это означает, что пульсар удаляется от нас. В оставшиеся 2 часа 45 минут наблюдается бóльшая частота, следовательно, пульсар приближается. Никакой симметрии. Из этого со всей очевидностью следует, что орбита не круговая, а высокоэксцентрическая. (Для справки: эксцентриситет орбиты составляет 0,617.) Это второй фрагмент информации.

Тейлор и Халс также обнаружили, что орбита пульсара не может быть намного больше 1 млн км в диаметре. Когда пульсар находится на дальней стороне своей орбиты (по отношению к Земле), импульсы приходят примерно на 3 секунды позже, чем с ближней части орбиты. Радиоволны распространяются со скоростью света (300 000 км/с), таким образом, 3 секунды соответствуют почти 1 млн км. (Это, конечно, размер в проекции, измеряемый вдоль направления взгляда. Если орбита наклонена, истинный размер будет больше.)

Измерения временны́х параметров показали, что эксцентриситет самой орбиты прецессирует – кстати, весьма быстро. Помните о прецессии перигелия Меркурия? Урбен Леверье установил, что она превышает расчетную величину, полученную им на основе теории всемирного тяготения Ньютона. Эйнштейн смог объяснить набегающее за 100 лет наблюдаемое превышение в 43″ искривлением пространственно-временного континуума. Но этот релятивистский эффект намного больше в случае орбиты пульсара – свыше 4° в год. Это означает, что орбита пульсара прецессирует за один день на такую же величину, на которую орбита Меркурия – примерно за год. А этот факт может означать лишь одно – очень сильное искривление пространственно-временного континуума, вызываемое очень сильным гравитационным полем.

Это еще не все. Пульсары – идеальные часы природы. Пульсар, совершающий орбитальное движение в двойной звездной системе, можно уподобить атомным часам, движущимся по орбите вокруг Земли. Это астрофизический аналог эксперимента Хафеле – Китинга, описанного в главе 3, только без человека, летящего в компании часов. Разумеется, эффект намного сильнее, чем намерили Хафеле и Китинг, благодаря высокой орбитальной скорости пульсара, колеблющейся от 110 до 450 км/с. Это примерно в 1000 раз быстрее самолета, которым вы обычно летаете, порядка 1/1000 скорости света.

Эффект Доплера, эксцентриситет, прецессия орбиты, замедление времени – каждый эффект приносил новый фрагмент знания. Соберите их воедино – и сможете рассчитать неизвестные вам параметры. Например, наклон орбиты, составляющий около 45°, или истинное пространственное расстояние между двумя вращающимися звездами, варьирующееся в пределах от 746 000 до 3 153 600 км. А главное, массы двух объектов: сам пульсар на 44,1 % массивнее Солнца, что типично для нейтронной звезды, но его пара почти столь же увесиста – на 38,7 % массивнее Солнца. Может ли это быть нормальная звезда? Исключено, поскольку такая звезда была бы и намного больше Солнца – слишком большой, чтобы вписаться в орбиту пульсара.

Маленькая, массивная и невидимая даже в самые большие телескопы – что это? Вероятно, вы догадались: еще одна нейтронная звезда, имеющая такую ориентацию, что ее невозможно наблюдать как пульсар, во всяком случае с Земли. Астрономы с какой-нибудь далекой планеты, быть может, принимают узконаправленные импульсы этого пульсара (если он вообще что-нибудь излучает). Для них наш пульсар невидим.

Нужно также понимать, что большинство инопланетных астрономов вообще не смогли бы наблюдать эту систему, поскольку оказались бы в стороне от линий направления излучения обоих пульсаров. Нам очень повезло. В Млечном Пути должно быть много двойных нейтронных звезд, которые мы не в состоянии видеть. Они могут яростно излучать, но не в нашу сторону.

Это впечатляющий пример расследования. Все, что есть, – «бип-бип-бип» одного пульсара, но для проницательного Шерлока Холмса от астрофизики этого достаточно. Тщательно анализируя малейшие отклонения от совершенной регулярности, вы сможете получить все необходимые сведения об удивительной системе двойных звезд плюс проверить предсказания ОТО Эйнштейна. (Как вы, наверное, догадались, теория блестяще прошла испытание.)

В 1975 г. Халс ушел из Массачусетского университета в Амхерсте, и Тейлор продолжил расследование совместно с Джоэлом Вайсбергом, студентом-дипломником Университета Айовы, научным руководителем которого впоследствии и стал. Вместе они совершили судьбоносное открытие.

Тейлор и Вайсберг понимали, что, если теория Эйнштейна верна, двойной пульсар должен терять энергию. Имеются два массивных компактных объекта, вращающихся вокруг друг друга с головокружительной скоростью. ОТО утверждает, что эти ускоряющиеся массы должны вызывать возмущение пространства-времени – гравитационные волны. Волны будут уносить энергию. Вследствие этого можно ожидать уменьшения орбитальной энергии пары нейтронных звезд. Медленно, но верно они будут сближаться по спирали. Орбита должна сужаться, период обращения по ней – сокращаться.

Массы и орбита двойных нейтронных звезд известны с высокой точностью. Подставляем эти величины в уравнения Эйнштейна и получаем прогноз постепенного снижения орбиты. За год среднее расстояние между двумя нейтронными звездами должно уменьшаться на 3,5 м. Как вы понимаете, его трудно измерить с расстояния 20 000 св. лет. Но соответствующее сокращение периода обращения составляет 76,5 мкс в год, и оно скажется на интервалах поступления импульсов по крайней мере через пару лет.

Так и случилось. В 1978 г. Тейлор, Вайсберг и их коллеги обнаружили, что результаты наблюдений полностью соответствуют предсказаниям ОТО. Эйнштейн был прав! Они объявили об этом на 9-м Техасском симпозиуме в Мюнхене в декабре того же года, через два месяца сообщение об открытии появилось в Nature . Вывод был очевиден: сужение орбиты двойного пульсара явилось доказательством – косвенным, но очень убедительным – существования волн Эйнштейна.