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

В 1992 г. Вольщан вместе с американским коллегой Дейлом Фрейлом предложил ошеломляющее объяснение: два маленьких объекта обращаются вокруг пульсара с периодом 66,54 и 98,21 дня, вследствие чего пульсар периодически рыскает. Благодаря эффекту Доплера эти крошечные смещения сказываются на времени прибытия импульсов. По результатам измерения времени Вольщан и Фрейл рассчитали массы спутников пульсара, оказавшихся в 4,3 и в 3,9 раза тяжелее Земли. Впервые в истории астрономы открыли планеты, вращающиеся не вокруг Солнца.

Через два года анализ данных позволил обнаружить третью планету массой в два раза больше, чем у Луны, и с орбитальным периодом 25,26 дня. В декабре 2015 г. Международный астрономический союз присвоил трем планетам имена фантастических существ: Драугр, Полтергейст и Фобетор. Выбор продиктован тем, что три маленьких небесных тела обращаются вокруг бренных останков звезды, ставшей сверхновой. Планеты, возможно, сформировались из остаточного вещества сверхновой, образовавшей пульсар. (Первая планета на орбите звезды, более-менее похожей на Солнце, была открыта только в 1995 г.)

Важно, что эти планеты не удалось бы обнаружить, если бы PSR В1257+12 не был миллисекундным пульсаром. Быстрое вращение вокруг своей оси, точность хронометра и чрезвычайно короткие импульсы обеспечили идеальный тайминг, без которого невозможно выявлять и изучать тонкие различия частоты импульсов.

За последние десятилетия в Млечном Пути было открыто почти 150 миллисекундных пульсаров. Многие входят в шаровые звездные скопления – гигантские сферические объединения сотен тысяч звезд. Это неслучайно: в плотно заполненных ядрах шаровых скоплений у пульсаров выше вероятность оказаться в составе двойной системы и получить ускорение от второй звезды. Например, в большом шаровом скоплении 47 Тукана находится по меньшей мере 22 миллисекундных пульсара. Другое скопление, Terzan 5, содержит не менее 33 быстровращающихся «звездных зомби».

Один миллисекундный пульсар в скоплении Terzan 5 называется PSR J1748–2446ad. Он был открыт в 2005 г. канадским астрономом голландского происхождения Джейсоном Хесселем. Период обращения 1,396 мс делает его самым быстрым из известных на сегодняшний день. Он совершает 716 оборотов в секунду – больше, чем ваш кухонный блендер. Угловая скорость экватора пульсара составляет почти 25 % скорости света.

К концу 1980-х гг. стало очевидно, что миллисекундные пульсары – идеальные галактические зонды для обнаружения чрезвычайно низкочастотных волн Эйнштейна. Это было задолго до начала строительства LIGO. Некоторые астрономы, изучавшие пульсары, считали, что смогут добиться прямой регистрации гравитационных волн раньше специалистов по лазерной интерферометрии.

Радиоастрономы из Беркли Дон Бейкер и Роджер Фостер описали метод в статье «Организация решетки для изучения временной динамики пульсаров», опубликованной в 1990 г. в Astrophysical Journal . Они предложили следить за массивом миллисекундных пульсаров в разных частях неба – это и будет решетка. Наблюдая только один пульсар, нельзя быть уверенным, что временны́е изменения вызваны именно гравитационными волнами. Если же точно измерять время прибытия импульсов множества миллисекундных пульсаров в течение долгого времени, можно получить достаточно данных, чтобы выделить слабые изменения, появившиеся в результате прохождения низкочастотных гравитационных волн. Чем дольше измерять, тем выше шансы на успех.

Для эксперимента Бейкер и Фостер выбрали 43-метровый радиотелескоп Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). Около двух лет они собирали данные наблюдений за тремя миллисекундными пульсарами: PSR В1937+21 – самым первым, открытым Бейкером и Кулкарни в 1982 г., PSR B1821–24 из шарового скопления М28 и PSR В1620–26 из шарового скопления М4. (Параметры третьего объекта впоследствии позволили установить, что и у него есть планета.)

Трех пульсаров и собранных за два года наблюдений оказалось недостаточно для регистрации гравитационных волн. Но это был первый шаг. Если снимать точные временны́е измерения с десятков пульсаров по всему небу в течение хотя бы десятилетия, наногерцовые волны, возможно, проявятся. Пора браться за дело всерьез.

Прежде чем продолжить, вам следует больше узнать о наногерцовых волнах и их источниках. Это очень необычные волны. Как вы помните, период любой волны обратно пропорционален ее частоте. Если волна имеет частоту 100 Гц, это значит, что 100 гребней (и ложбин) волны проходят мимо вас каждую секунду. Таким образом, период волны (время между прохождением двух соседних гребней) составляет 1/100 секунды. Волны частотой 1 Гц (один цикл в секунду), очевидно, имеют период 1 с.

Итак, любой волновой феномен частотой 1 нГц (одна миллиардная герца) имеет период 1 млрд с. Это больше 30 лет! Если проходящая гравитационная волна имеет период 1 нГц, пространство медленно расширяется на неприметную величину в течение примерно 15 лет, затем вновь сокращается в следующие 15 лет. Мера растяжения и сжатия – амплитуда волны – может быть очень маленькой, порядка одной десятитриллионной процента. Таким образом, мы пытаемся зарегистрировать крохотные изменения, протекающие с черепашьей скоростью.

Еще один факт, который следует помнить о наногерцовых волнах, состоит в том, что они, как и прочие, распространяются со скоростью света. При периоде 30 лет длина волны равна 30 св. лет. Говоря о «медленных» волнах, я имею в виду не фактическую скорость их движения (представляющую собой предел скорости, установленный природой), а длительное время, необходимое, чтобы их присутствие проявилось.

Какие космические события могут вызывать настолько низкочастотные пульсации пространственно-временного континуума? Как мы видели, гравитационные волны излучаются орбитальными телами, например двойными системами нейтронных звезд и ЧД. Возможно, вы помните, что за время прохождения орбиты излучаются два волновых цикла. Если две ЧД совершают по общей орбите 100 оборотов в секунду (как в случае GW150914 непосредственно перед их столкновением и слиянием), то излучаемые ими волны Эйнштейна имеют частоту 200 Гц. Иначе говоря, период волны равен половине орбитального периода.

Гравитационная волна частотой 1 нГц имеет период около 30 лет, как мы только что убедились. Следовательно, эти волны могут порождаться небесными телами, совершающими один оборот за 60 лет. Однако две нейтронные звезды или ЧД звездной массы на орбите периодом 60 лет не излучают регистрируемых гравитационных волн – массы и ускорения слишком малы. Напомню, что GW150914 стала доступной для наблюдения LIGO только с резким увеличением амплитуды волн перед самым столкновением и слиянием ЧД.