Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Такого решения, соответствующего данной орбите, просто не могло существовать. “До нас дошло, что происходит нечто странное”, – говорит Линч. И тут Рэнсому пришла в голову идея – он увидел, что орбита пульсара систематически смещается, и предположил, что может существовать еще одна звезда, которая влияет на орбиту пульсара. Эта система оказалась тройной. Рано утром он отправил электронное письмо Линчу, а затем и всем участникам сообщества, участвовавшим в анализе данных.
Затем Рэнсом совместно с Ингрид Стэйрс, Хесселсом, Арчибальд и Линчем занялся проверкой своего предположения. И действительно, все встало на место, когда в модель было введено третье тело – второй белый карлик, обращавшийся вокруг двойной звезды. Такой системы, состоящей из миллисекундного пульсара с двумя компаньонами звездной массы, никогда раньше не видели. “На тот момент у нас не было никакого представления, как работать с тройной системой”, – рассказала Арчибальд. Она в то время заканчивала свою диссертацию, посвященную анализу другого источника, который они нашли при той же двухмесячной съемке неба, – и с радостью отвлеклась от исправления орфографических ошибок. Она просмотрела электронную почту: коллеги жаловались, что не знают, как правильно хронометрировать тройную систему. “Я подумала, а нельзя ли просто… И около четырех часов утра начала писать код, используя тот же подход прямого интегрирования, которым мы до сих пор пользуемся”, – вспоминает она. На самом деле она не первый раз писала код для прямого интегрирования уравнений для системы n тел – системы с более чем двумя объектами. В возрасте пятнадцати лет она прочитала научно-фантастическую книжку “Мир-кольцо”. В ней описывалась инопланетная раса, которая живет на пяти планетах, обращающихся вокруг их общего центра масс. “Неужели она устойчива? – подумала я. – И я написала некий код для моделирования движения этой системы. Конечно, в пятнадцать лет я не понимала, что делаю, и сам код интегрирования был нестабильным, поэтому я так и не получила ответа. Но было ясно, что реализация интегрирования задачи п тел не должна быть трудной”.
Линч говорит, что с тройной системой “Энн Арчибальд проделала фантастическую работу, найдя численные решения, которые позволяют идеально описать орбиты всех этих трех звезд”. Ее работа позволила впоследствии использовать данную систему для проверки общей теории относительности крайне специфическим образом. Ученые поняли, что в этой системе три тела существуют в очень ограниченном пространстве, их орбиты меньше орбиты Земли, по которой она обращается вокруг Солнца, – и это здорово для проверки одного из следствий общей теории относительности, называемого сильным принципом эквивалентности.
Принцип эквивалентности – краеугольный камень общей теории относительности Эйнштейна. В нем утверждается, что гравитация действует на объекты одинаково, независимо от их состава или массы. В большинстве случаев физики работают только с менее строгой версией, называемой принципом слабой эквивалентности, который гласит, что объекты падают одинаково, независимо от их состава или массы, если их гравитация не слишком сильна. Известный пример: если убрать сопротивление воздуха и уронить перо и молоток с одной и той же высоты, они одновременно упадут на землю. Этот эксперимент был успешно продемонстрирован не только на Земле, в огромной вакуумной камере НАСА, но и на Луне.
Принцип сильной эквивалентности добавляет к принципу слабой эквивалентности одно условие: даже объекты, имеющие большую собственную массу (гравитацию), должны падать так же, как остальные. Такой объект, как планета или звезда, не рассыпается благодаря гравитации, а гравитационная энергия, удерживающая все его части вместе, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, эквивалентна определенной массе. Падает ли тело с такой массой так же, как тела, состоящие из обычного вещества, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, скажем стул?22 Падает ли тело с большой самогравитацией, как обычное материальное тело? “Как бы странно это ни звучало, но на самом деле вопрос разумный, – говорит Арчибальд. – В то время как общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что тело с большой самогравитацией падает точно так же, как и все остальные тела, почти все альтернативные теории предсказывают, что на самом деле его падение должно отличаться от падения обычных тел. Другими словами, они утверждают, что если у вас есть объект с большой силой тяжести, удерживающей его от рассыпания, то этот объект из-за сильной самогравитации будет падать иначе”.
 
В лаборатории невозможно создать объект с сильной гравитацией. До недавнего времени лучшая проверка принципа сильной эквивалентности проводилась в системе Земля-Луна-Солнце. Гравитация удерживает пару Земля-Луна и не дает им разлететься. Но гравитация Земли намного больше, чем гравитация Луны. Так что если Эйнштейн ошибался и самогравитация тел влияет на то, как они падают, то, возможно, Земля падала бы иначе, чем Луна. Но сбросить Землю и Луну с башни, как сбрасывал пушечные ядра с башни Новой церкви в Делфте фламандский ученый Симон Стевин, невозможно. Однако, поскольку Земля и Луна обращаются вокруг Солнца, они как бы постоянно “падают” на него. Это означает, что, если бы они испытывали разные ускорения из-за разной силы тяжести, Солнце разорвало бы пару Земля-Луна. “Благодаря отражателям, которые американские астронавты с кораблей «Аполлон» и советские луноходы оставили на Луне, у нас есть очень точные измерения, хотя их и немного [данные имеются в доступе]. И похоже, с большой уверенностью можно сказать, что нет никакой разницы в том, как Земля и Луна ускоряются Солнцем”, – говорит Арчибальд.
Для такого эксперимента не обязательно иметь три тела, но в нем должно присутствовать какое-то внешнее гравитационное поле. Астрономы провели гравитационные тесты с двойными системами, используя, например, пульсар и белый карлик, испытывающие притяжение гравитационного поля Галактики – так сказать, “падающие” на Галактику. Но проблема с такими тестами заключается в том, что реально Галактика приводит к крошечному ускорению системы пульсаров: она не очень сильно притягивает, поэтому разница в том, как она воздействует на два тела, также мала.
Однако в пульсарах хорошо то, что они чрезвычайно плотные объекты – такие же, как белые карлики и черные дыры, – и их энергия связи намного сильнее, чем у обычных тел. Например, для пульсара она составляет от 10 до 15 % его массы. Так что, если бы эта гравитационная энергия связи реагировала на гравитацию иначе, чем вещество, в системе нейтронных звезд это было бы гораздо заметнее.
Проблема в том, что, в то время как мы довольно много знаем о нашей Солнечной системе, мы не всегда знаем массу нейтронной звезды или ее компаньона. “Мы должны сначала узнать, как тело должно упасть в соответствии с теорией Эйнштейна, что сложно, если мы не знаем точно, насколько сильна внешняя гравитационная сила”, – говорит Арчибальд.
Например, когда астронавт Дэйв Скотт, стоя на Луне, ронял молоток и перо в 1971 году, он ронял их в условиях одинакового притяжения – и они упали одновременно. При проведении таких проверок необходимо, чтобы оба объекта падали при одном и том же гравитационном притяжении – внешнем по отношению к ним обоим. В системе Земля-Луна-Солнце гравитационное притяжение обусловлено третьим соседним телом, то есть Земля и Луна притягиваются (или “падают”) к Солнцу.
Необходимость внешнего гравитационного поля для проведения теста делала тройную систему “своего рода уникальной системой для проверки сильного принципа эквивалентности в тех условиях, которые мы не можем осуществить в системе Земля-Солнце, или в системе Луна-Солнце, или с пульсарами, которые являются просто некими объектами в гравитационном поле галактики”, говорит Линч.
Арчибальд и ее коллеги провели тест, используя свою компьютерную модель с точными параметрами, взятыми из их наблюдений, – и оказалось, что пульсар и внутренний белый карлик, конечно же, “падают” с одинаковой скоростью в гравитационном поле внешнего белого карлика, несмотря на то что нейтронная звезда намного массивнее своего компаньона по паре. Они выстроили модель, в которой допускалось нарушение сильного принципа эквивалентности и отклонение от него описывалось с помощью параметра, обозначенного дельтой. Если теория Эйнштейна верна, дельта должна была бы в точности равняться нулю. “Мы не просто брали параметры нормальной орбиты и пытались искать отклонения. В действительности мы напрямую пытались вставить наши измеренные данные в модель, построенную в предположении «неэйнштейновской физики»”, – говорит Арчибальд. Ученые смоделировали множество орбит с параметрами, в которых закладывалось отклонение от сильного принципа эквивалентности, но в результате оказалось, что те орбиты, для которых такие отклонения не вводились, то есть построенные в соответствии с теорией Эйнштейна, согласовывались с результатами их наблюдений лучше всего. Они нашли, что наилучшим значением параметра дельта был не в точности нуль, поскольку полностью шум устранить нельзя, но дельта равнялась нулю в пределах погрешности. Оказалось, что тройная система ведет себя именно так, как предсказывает теория Эйнштейна, и тест показал, что отклонения от расчетного значения равнялись всего трем миллионным.