Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Ученые обычно тратили годы на разработку этих теорий, выводя уравнения и уточняя их. Все эти работы резко приостановились, когда было открыто первое слияние нейтронных звезд. Когда зеркала LIGO и Virgo лишь слегка затряслись, а научное сообщество засучив рукава трудилось над тем, чтобы зарегистрировать первое подобное столкновение в истории, космическая обсерватория Ферми тоже зафиксировала короткий гамма-всплеск, исходящий точно из того же места, но на Землю он пришел всего на 1,7 секунды позже. Так было доказано, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, и этот факт безжалостно убил скаляр-тензор-векторные теории гравитации TeVeS, которые выжили бы, только если бы скорости гравитационных и электромагнитных волн различались. LIGO также убил несколько теорий галилеонов, которые требовали наличия дополнительного поля для объяснения ускоренного расширения Вселенной и еще того, чтобы гравитационные волны двигались медленнее света.
Но не все было убито: некоторые теории Хорндески и расширенные теории Хорндески выжили, поскольку не требовали отличия скорости гравитационных волн от скорости света. Также пока выжили некоторые так называемые теории гравитации с массивным гравитоном. Обычно физики предполагают, что частица, связанная с гравитацией, – гравитон – не имеет массы. Но в этих теориях принимается, что он имеет массу, хотя и очень маленькую, поэтому он не обязательно движется со скоростью света. Тем не менее столкновение двух нейтронных звезд послужило сигналом к очень быстрому удалению с поля некоторых альтернативных теорий гравитации.
Ученые и до этого опровергали их релевантность с помощью других аргументов, не так эффектно, но столь же беспощадно: сначала используя небесные тела нашей Солнечной системы, а совсем недавно и с помощью пульсаров. И до сих пор снова и снова подтверждалась правильность теории Эйнштейна17.
Но чем больше плотность и чем сильнее гравитация (а у пульсаров она настолько сильна, насколько это возможно без дальнейшего коллапса звезды в черную дыру), тем больше вероятность того, что общая теория относительности может оказаться ошибочной. И поэтому ученые неустанно ищут мельчайшие изменения в импульсах пульсаров, чтобы понять, согласуется ли система пульсаров, которую они исследуют, с предсказаниями теории Эйнштейна. Эти результаты наблюдений можно сравнивать и с выводами альтернативных теорий гравитации. Поскольку в таких экспериментах условия более суровые, проверка общей теории относительности с помощью пульсаров позволяет физикам сделать больше выводов и дополнительно исключить некоторые альтернативные теории.
Обычно астрономы используют пульсар, находящийся в двойной системе, например в партнерстве с белым карликом или другой нейтронной звездой, используя его в качестве тестовой массы с прикрепленными очень точными часами. Затем они очень точно вычисляют орбиты пульсаров, тщательно хронометрируя время прихода импульсов. Представьте, что мы с точностью до микросекунды измерили время прихода импульса в данный момент и еще раз через десять лет. Поскольку мы точно знаем, сколько оборотов сделал пульсар между этими двумя измерениями, мы можем вычислить частоту вращения пульсара с точностью до одной микросекунды в десять лет, то есть 1/ (3 × 1014), или одной трехсоттриллионной18.
Кроме того, астрономы могут проанализировать, как изменяется время прихода импульсов в результате прохождения излучения (в данном случае – радиоволн) мимо звезды, являющейся партнером пульсара. Они делают это, измеряя задержку Шапиро, то есть временную задержку из-за искривления света гравитацией. “Мы действительно хорошо умеем измерять время”, – говорит Энн Арчибальд, астроном из Амстердамского университета, и рассказывает такую историю. Когда космический зонд “Кассини” прошел за Солнцем по пути к Сатурну, ученые зарегистрировали радиолокационные сигналы от него и очень точно измерили время их прохождения. Конечно же, поскольку свет из-за влияния гравитации Солнца следовал по изогнутой траектории, ему потребовалось немного больше времени, чтобы добраться до детекторов на Земле. Так и была измерена задержка Шапиро, и “Кассини” произвел лучшее ее измерение. С помощью измерения этой задержки проверяют и вывод альтернативных теорий гравитации о том, какое искривление света они предсказывают. И конечно, вычисление этой задержки позволяет астрономам определять массы самого пульсара и его звезды-компаньона. (Подробнее о задержке Шапиро см. в разделе “Чуть глубже: Законы Кеплера и посткеплеровские параметры”.)
 
Есть и другие эффекты, предсказанные общей теорией относительности. В 1998 году Майкл Крамер, который тогда был постдоком, а сейчас директор Радиоастрономического института Макса Планка и гуру в области гравитационных явлений, наблюдал пульсар Халса – Тейлора с помощью стометрового телескопа в Эффельсберге. Ему показалось, что форма импульса отличается от той, что приводилась в опубликованной двадцать четыре года назад статье. Он поискал другие описания профиля импульсов этого пульсара в прошлых публикациях и заметил, что его форма менялась гораздо сильнее, чем считалось ранее. “Я копнул глубже, проанализировал больше данных и в конце концов понял, что увидел первое реальное свидетельство геодезической прецессии – эффекта общей теории относительности, который был предсказан для этой двойной звездной системы сразу после ее открытия в 1974 году”, – говорит Крамер. Геодезическая прецессия возникает при огибании гироскопом массивного объекта, искривляющего вокруг себя пространство. При этом ось гироскопа слегка смещается, описывая за оборот угол больше 360 градусов. Когда пульсар обращается вокруг своего компаньона, масса партнера заставляет его погружаться в гравитационную яму в ткани пространства-времени, из-за чего направление пучка излучения (подобного лучу маяка) немного смещается – ив какой-то момент пучок начинает промахиваться мимо Земли. Мы такой пульсар обнаружить уже не можем.
Точность наблюдений Крамера была не слишком большой, поскольку стометровый телескоп, который он использовал, гораздо менее чувствителен, чем телескоп Arecibo, с помощью которого был обнаружен пульсар, а позже Джо Тейлор (один из астрономов, открывших двойную систему) и Джоэл Вейсберг проверяли правильность общей теории относительности. Тем не менее Крамер предсказал, как форма импульса продолжит меняться с течением времени, и даже набрался смелости и предсказал на основе своих данных, что пульсар исчезнет из поля зрения в период между 2020 и 2025 годами. “Я думаю, немногие коллеги поверили моему результату, и это неудивительно”, – говорит он. Однако несколько недель спустя Крамер неожиданно получил электронное письмо от Тейлора, в котором содержался график. Прочитав статью Крамера, Тейлор и Вейсберг отправились на Arecibo и провели новое измерение импульсов пульсара – и оказалось, что измеренная ими ширина импульса совпадает с предсказанием Крамера.
“Это был довольно приятный момент”, – говорит Крамер, улыбаясь. И это стало для него хорошей мотивацией для продолжения работы с пульсарами и проверки общей теории относительности. Такие физики, как он, ищут все более экстремальные условия для проверки теории гравитации – в надежде, что однажды они смогут найти сценарий, при котором предсказания теории не сбудутся, и тогда у них возникнет новое, лучшее понимание физики.
В 2000 году им повезло найти такие экстремальные условия: Марта Бургай, которая сейчас работает в обсерватории Кальяри, обнаружила уникальную систему – двойной пульсар (PSR J073 7-3039 А/В) – в обзоре данных наблюдений на телескопе Parkes, Австралия. Как говорилось ранее, это единственная известная двойная система, в которой оба объекта являются – или скорее являлись – пульсирующими нейтронными звездами. Эта система настолько релятивистская, что астрономы получили возможность с ее помощью проверять такие аспекты теории относительности Эйнштейна, которые никогда ранее тщательной проверке не подвергались.