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

Паркс – маленький город в пасторальном Новом Южном Уэльсе примерно в пяти часах езды от Сиднея. Он был основан в 1853 г. и назван в честь Генри Паркса, одного из отцов-основателей Австралийской Федерации. От непримечательного центра всего 20 минут на машине до «Тарелки». Выезжаете из города на север по шоссе Ньюэлл, сворачиваете направо на Телескоп-роуд и через несколько минут оказываетесь у гигантского радиотелескопа [94] Обсерватория Паркс: https://www.parkes.atnf.csiro.au . .

Строительство «Тарелки» – таково неформальное название 64-метрового радиотелескопа в Парксе – было окончено в 1961 г., когда радиоастрономия делала первые шаги. Кроме изучения космических радиоволн, инструмент участвовал в сопровождении космических аппаратов. В 1960-е гг. он принимал сигналы межпланетных зондов НАСА «Маринер-2» и «Маринер-4», в июле 1969 г. трансляцию телевизионного сигнала исторического прилунения «Аполлона-11». (Имейте в виду, однако, что фильм 2000 г. «Тарелка» австралийского режиссера Роба Ситча – комедия с вымышленным сюжетом, а не документальное кино.)

Среди астрономов обсерватория Паркс известна главным образом исследованиями пульсаров. Почти половина известных пульсаров в Млечном Пути была открыта с помощью этого телескопа. Пусть по сегодняшним стандартам это устаревший инструмент, пульсары до сих пор наблюдаются почти ежедневно. Одна из целей ученых – регистрация гравитационных волн посредством измерения временны́х характеристик пульсаров.

Как вы узнали из главы 6, пульсар – это быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда, удачно (с нашей точки зрения) сориентированная в пространстве. При каждом обороте один из узконаправленных пучков ее излучения устремляется к Земле. Некоторые пульсары точнее атомных часов.

Благодаря потрясающей регулярности импульсов, измерение их параметров становится источником всевозможной информации о движении пульсара. Именно так Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг открыли медленное снижение орбиты первого двойного пульсара PSR В1913+16. Как вы помните, это стало первым убедительным косвенным подтверждением существования гравитационных волн.

Однако пульсар может дать непосредственное свидетельство о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума. Представим себе гравитационную волну, движущуюся сквозь Вселенную, попеременно сжимая и растягивая само пространство. При достаточно большой длине волны – означающей, что сжатие и растяжение происходят очень медленно, – можно будет зарегистрировать этот эффект, фиксируя время прибытия импульсов далекого пульсара. Когда пространство между Землей и пульсаром немного расширяется, импульсам требуется чуть больше времени, чтобы достичь радиотелескопа. Когда оно слегка сокращается, импульсы приходят немного быстрее.

Во время такого короткого события, как GW150914, этот эффект наблюдать невозможно, поскольку он едва ли успеет сказаться даже на одном импульсе, но медленные многократные колебания пространственно-временного континуума – волны частотой не в сотни герц, а в несколько наногерц, примерно в 100 млрд раз более медленные, – могут быть доступными для наблюдения. Предполагается, что волны Эйнштейна чрезвычайно низкой частоты существуют. Их должны излучать двойные системы сверхмассивных ЧД в ядрах далеких галактик. Волны, частота которых измеряется наногерцами, невозможно зарегистрировать методом лазерной интерферометрии. Нужно использовать в качестве детектора собственную галактику. Потребуется много терпения, что подтвердят радиоастрономы обсерватории Паркс и их коллеги по всему миру.

Советский астрофизик Михаил Сажин из Института астрономии им. Штернберга в Москве первым предложил использовать пульсары для прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона еще в 1978 г. Через год в Astrophysical Journal астроном Йельского университета Стивен Детвейлер также описал метод поиска гравитационных волн путем измерения времени прибытия излучения пульсаров, но пришел к выводу, что понадобится значительно повысить точность измерений, чтобы метод работал.

Очевидно, чтобы найти низкочастотные волны Эйнштейна, наблюдая за слабыми изменениями времени прибытия импульсов, нужен исключительно стабильный пульсар. Более того, в идеале импульсы должны быть чрезвычайно короткими, что обеспечивало бы максимально точный тайминг. Такие пульсары, как PSR В191+21 – первый, открытый Джоселин Белл в 1967 г., – в этом отношении бесполезны. Импульсы пульсара Белл имеют длительность около 40 мс. (Кроме того, у них неправильная форма, прекрасно известная поклонникам британской постпанк-группы Joy Division – знаменитая обложка их дебютного альбома 1979 г. «Unknown Pleasures» оформлена записью его пульсаций на ленте самописца.)

По счастью, в 1982 г. был случайно открыт новый, идеальный для этого метода тип пульсара. Дон Бейкер и Шринивас Кулкарни из Калифорнийского университета в Беркли изучали таинственный источник радиоволн в Млечном Пути – 4С21.53. Астрономы никогда не замечали, чтобы этот радиоисточник пульсировал. Но что, если он дает настолько короткие импульсы, что они прежде просто не регистрировались? Бейкер и Кулкарни решили проверить. К их удивлению, 4С21.53 действительно оказался пульсаром с невероятно коротким периодом обращения в 1,5577 мс. Огромный шар из нейтронов примерно на 50 % массивнее Солнца и размером с мегаполис вращался вокруг оси со скоростью около 642 оборотов в секунду.

Бейкер и Кулкарни открыли первый миллисекундный пульсар [95] Don C. Backer, Shrinivas R. Kulkarni, Carl Heiles, M. M. Davis and W. Miller Goss, “A Millisecond Pulsar” (Дон Бейкер и др. Миллисекундный пульсар), Nature 300 (16 декабря 1982 г.): 615–618 ( http://www.nature.com/nature/journal/v300/n5893/abs/300615a0.html ). . По координатам в небе его назвали PSR B1937+21. Он находится не слишком далеко от места, где Джоселин Белл 15 годами ранее обнаружила «пульсар Joy Division», но намного дальше от Земли.

Скоро радиоастрономы нашли другие миллисекундные пульсары. Большинство входят в двойные системы. Очевидно, происходила аккреция – падение газа второй звезды системы на компактную нейтронную звезду. Приток газа подхлестывал вращение нейтронной звезды подобно тому, как вертушка на палочке крутится все быстрее, если на нее дуть. Благодаря чрезвычайно быстрому вращению миллисекундных пульсаров их радиоимпульсы длятся крохотную долю секунды. Более того, они оказались невероятно стабильными.

Один из самых знаменитых миллисекундных пульсаров – PSR В1257+12, расположен в созвездии Девы на расстоянии порядка 2300 св. лет. Его открыл в 1990 г. польский радиоастроном Александр Вольщан при помощи 305-метрового радиотелескопа Аресибо – инструмента, позволившего обнаружить пульсар Халса – Тейлора в 1974 г. Частота импульсов 161 Гц соответствует периоду обращения 6,22 мс – для миллисекундного пульсара это довольно много. Внимание Вольщана привлекло нечто другое – неидеально точная периодичность пульсаций [96] Aleksander Wolszczan and Dale A. Frail, “A Planetary System around the Millisecond Pulsar PSR1257+12” (А. Вольщан, Д. А. Фрэйл. Планетарная система миллисекундного пульсара PSR1257+12), Nature 355 (9 января 1992): 145–147 ( http://www.nature.com/nature/journal/v355/n6356/abs/355145a0/html ). .