Чтение онлайн

“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.

Майский день 2000 года у Марты Бургай начался точно так же, как и любой другой день в ее научной карьере. Она просматривала обзор наблюдений пульсаров, проведенных на телескопе Parkes, особенно внимательно отслеживая все, что касается центра Галактики, и неожиданно заметила быстро вращающийся пульсар в двойной системе. На первый взгляд это был обычный двойной миллисекундный пульсар с не слишком интересным спутником, похожий на многие десятки подобных двойных систем. “Это открытие не было каким-то особенным”, – вспоминает Эндрю Лайн, работавший с Бургай на Parkes. Как и в случае с любой другой двойной системой, они начали заниматься ее хронометрированием, то есть наблюдать ее через определенные промежутки времени и смотреть, как она себя ведет. Вскоре ученые решили, что компаньон, вероятно, тоже был нейтронной звездой, аналогично двойному пульсару Халса – Тейлора. Однако в этом случае двойная система звезд была крайне тесной, так что эффекты общей теории относительности Эйнштейна становились очень заметными, поскольку два массивных тела искривляли пространство-время чрезвычайно сильно. Вскоре Бургай и ее коллеги представили в Nature статью о новой двойной системе19.

Прошло четыре года. Однажды астроном Дункан Лоример из Университета Западной Вирджинии захотел протестировать некое новое программное обеспечение и подумал, что недавно обнаруженная двойная система идеально для этого подходит. Весной 2004 года он принялся отлаживать свою программу, собирая с помощью телескопа Parkes свежие данные по этой двойной системе. Внезапно Лоример обнаружил очень специфические периодические импульсы, и это означало, что обе звезды испускали радиоволны. Он сразу же позвонил Лайну, в тот момент проводившему свой отпуск в Уэльсе, то есть на другом конце света. Лайн помнит тот момент, когда зазвонил телефон: “Это был Дункан, звонил, чтобы сказать, что он обнаружил трехсекундную периодичность, и спросить, что с этим делать”.

Один из двух пульсаров вращался с огромной скоростью, совершая сорок пять оборотов в секунду, а другой – относительно медленно, с периодом 2,7 секунды. Почему так важна эта трехсекундная периодичность? В двойной звездной системе, когда формируется вторая нейтронная звезда, она ведет себя как обычный пульсар – аккреция на нее с очень плотного компаньона невозможна. Она замедляется и выключается за относительно короткое время, и тогда остается только уже долго поживший миллисекундный раскрученный первый пульсар. Трехсекундный период был визитной карточкой раскрученного пульсара. “Мы увидели, что периодичность действительно менялась так, как должна была бы меняться, если бы медленный пульсар находился на общей орбите с миллисекундным пульсаром”, – говорит Лайн.

В этой двойной системе действуют невероятно мощные гравитационные силы, поскольку обе нейтронные звезды обращаются друг относительно друга по орбитам малого радиуса с периодом всего 2,4 часа, что с космической точки зрения означает невероятную близость друг к другу. Мы видим систему почти с ребра, то есть Земля находится почти в плоскости орбиты, а это означает, что мы видим, как один пульсар проходит почти точно перед другим (затмевает его). В марте 2008 года более медленный пульсар исчез, импульсы от него до сих пор не регистрируются. Исчезновение импульсов – еще одно проявление геодезической прецессии, и ученые предсказывают, что его импульсы снова можно будет увидеть в 2035 году.

С помощью этой системы ученые сумели проверить общую теорию относительности гораздо глубже, чем когда-либо раньше. Прежде чем излучение от медленного пульсара исчезло, астрономы могли наблюдать, как две нейтронные звезды обращались друг относительно друга с периодом в 2,4 часа. В те моменты, когда более медленный пульсар проходил перед своим спутником, его сильное магнитное поле блокировало луч миллисекундного пульсара примерно на тридцать секунд. Поскольку пульсар очень мал – всего около двадцати километров в поперечнике, – наше поле зрения блокировалось не его физическим телом, а облаком плотной плазмы, которое вращалось вместе с медленным пульсаром и генерировало собственные радиоимпульсы. Это облако плазмы в форме бублика, удерживаемое магнитным полем медленного пульсара, вращается вместе с ним. Астроном Рене Бретон из Манчестерского университета смог построить модель системы, в которой бублик нерегулярно прерывает приход к нам импульсов от быстрого пульсара. Как оказалось, ось вращения бублика прецессировала. В соответствии с общей теорией относительности, импульс от миллисекундного пульсара достигал Земли на микросекунды позже, поскольку вместо того, чтобы направиться прямо к нам, он должен был пройти вблизи второго пульсара и искривиться, что приводило к уже упомянутой задержке Шапиро и позволило измерить прецессию. Измерения подтвердили предсказания Эйнштейна с точностью до 99,99 %20.

“Я помню, как на одном из семинаров нашей группы Рене поставил вопрос о статистике, – рассказала Арчибальд. – Было два способа анализа данных, сказал он, и один из них давал результат, который согласовывался с результатами теории Эйнштейна, а другой – нет, и он не знал точно, какой способ правильный. «Подождите, – сказала Вики Каспи, наш руководитель, – расскажите нам о методах, но не говорите, какой из них согласуется с теорией, а какой – нет». Мы поспорили и согласились, что один из методов более правильный. И конечно же, он давал результаты, согласующиеся с теорией Эйнштейна! Но нам был преподан важный урок: нельзя давать волю своим предубеждениям”.

Крамер и его команда получили данные, позволяющие считать, что орбита двух пульсаров сжимается каждый день на семь миллиметров – косвенное свидетельство существования гравитационных волн. Двойной пульсар намного меньше системы Халса – Тейлора (за которой Джоэл Вейсберг продолжает следить по сей день), и скорость сжатия орбиты двойного пульсара соответствует выводам теории Эйнштейна, то есть он теряет энергию, преобразующуюся в энергию гравитационных волн, намного быстрее.

И вот вступает в игру уникальная тройная система.

Летом 2006 года инженеры телескопа Green Bank в Западной Вирджинии заметили: что-то не так с рельсом, по которому измерительное оборудование перемещалось влево и вправо по азимуту. Он износился из-за того, что после завершения строительства телескоп GBT стал весить примерно 7,7 тысячи тонн, то есть больше, чем изначально планировалось. Администрация решила удалить старый рельс и установить новый, и на это ушло все лето. Поскольку в это время радиотелескоп не мог перемещаться по азимуту, он не мог следить за источниками, разбросанными по небу, и нормальная работа фактически была остановлена. Но, как и в случае с наблюдениями Алекса Вольщана, проведенными им во время ремонта Arecibo, астрономы, специализирующиеся на пульсарах, – и среди них Арчибальд и Линч (впоследствии ставший младшим научным сотрудником обсерватории GBT) – поняли, что у них появился идеальный шанс для наблюдения неба. Они решили, что могут использовать низкочастотный приемник, выбрать угол и просто еженощно наблюдать звездное небо, проплывающее мимо. Это позволило им видеть любой участок неба в течение примерно двух минут. Поскольку во время ремонта телескопа никто другой не мог работать на нем, они смогли использовать его для почти непрерывных наблюдений в течение пары месяцев и таким образом набрали 120 терабайт данных, которые вошли в обзор под названием “Обзор данных по дрейфовому сканированию, полученных с помощью телескопа GBT 350 МГц”.

Наблюдения закончились, когда завершился ремонт телескопа, и Арчибальд с Линчем приступили к тщательной проверке всех своих данных по пульсарам. На это у них ушло несколько лет. К 2013 году они уже нашли несколько десятков новых пульсаров, но, когда они приблизились к завершению своей работы, на самом последнем диске с данными обнаружилось нечто необычное.

Они открыли двойную систему – пульсар и белый карлик – на расстоянии около 4200 световых лет от Земли. Сначала они не обнаружили ничего необычного. Но, попытавшись определить движение этой двойной системы, они поняли, что не могут рассчитать орбиту пульсара, просто предположив, что он обращается вокруг другой звезды21.

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”.