Наблюдали 16 лет: как ученые подтвердили правоту Эйнштейна
Единственная известная на сегодняшний день пара пульсаров дала астрономам возможность проверить предсказания теории относительности, сформулированной более ста лет назад. Все они подтвердились, включая тот факт, что гравитационные волны переносят энергию. Кроме того, астрономы смогли вычислить направление вращения пульсара и понять, как сформировалась подобная пара.
Астрофизики в течение 16 лет исследовали пару пульсаров PSR J0737–3039A/B, и их наблюдения в точности совпали с предсказаниями теории относительности. Работа была проведена под руководством Михаэля Крамера из немецкого Радиоастрономического института Макса Планка, соответствующая статья опубликована в Physical Review X.
Пульсар – это разновидность нейтронной звезды, сверхплотные остатки взрыва сверхновой, массы которой недостаточно для образования черной дыры. Пульсарами называют те нейтронные звезды, чье излучение достигает Земли в виде повторяющихся импульсов.
На самом деле, эти импульсы непрерывны, но с точки зрения наблюдателя они кажутся пульсирующими из-за вращения нейтронной звезды. Эта пара пульсаров в 2400 световых годах – единственная известная астрономам на сегодняшний день, наблюдение за ней ведется с 2003 года.
Один из них вращается вокруг своей оси со скоростью 44 оборота в секунду, другой совершает оборот за 2,8 секунды. Оба они находятся на орбите вокруг общего центра масс, период обращения составляет 147 минут, а орбитальная скорость достигает миллиона километров в час.
"Настолько быстрое движение по орбите компактных объектов позволяет нам проверить множество предсказаний общей теории относительности, – говорит Дик Манчестер, один из авторов исследования из Австралийского национального комплекса телескопов. – Эти пульсары примерно на треть тяжелее Солнца, но имеют диаметр всего пару десятков километров".
Теория относительности была предложена Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Она вводит понятие пространства-времени, которое может искривляться массивными объектами. В том числе деформацией пространства-времени обусловлено гравитационное взаимодействие, а движение объектов с ускорением может порождать гравитационные волны. Кроме того, согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, что выражается знаменитой формулой E=mc2. Многолетние наблюдения за единственной известной парой пульсаров подтвердили многие предсказания этой теории.
Во-первых, выяснилось, что радиус орбиты пульсаров уменьшается. Регулярно измеряя орбитальный период, исследователи выяснили, что каждый день они приближаются на семь миллиметров. Это происходит из-за того, что при движении по орбите пульсары излучают гравитационные волны, колебания пространства-времени, которые отрываются от источника и уносят с собой энергию. Впервые подобный эффект заметили в 1970-х годах во время изучения системы из пульсара и нейтронной звезды, но новые измерения точнее примерно в 25 раз.
Во-вторых, пульсары постепенно теряют массу из-за излучения, что также сказывается на их орбите. Поскольку масса и энергия эквивалентны, то, зная энергию излучения, ученые рассчитали, что пульсар с более быстрым периодом вращения теряет восемь миллионов тонн в секунду. Хотя по земным меркам это довольно много, такая потеря массы ведет лишь к едва заметной корректировке орбиты.
Раньше физики могли ею пренебречь, но современные точные инструменты позволяют заметить и столь малые изменения.
В-третьих, на примере этой системы хорошо заметно влияние гравитации на электромагнитное излучение.
"Мы отслеживаем распространение радиофотонов пульсара и видим, что с ними происходит, когда они проходят через гравитационное поле компаньона, – рассказывает руководитель исследования. – Мы можем наблюдать не только замедление луча в области с сильной кривизной пространства-времени вокруг пульсара, но и его отклонение на 0,04 градуса. Никогда раньше ученые не наблюдали подобное воздействие настолько сильной кривизны пространства".
В-четвертых, орбиты пульсаров обладают прецессией, и эллипс орбиты этой пары поворачивается примерно на 17 градусов в год. Однако эффекты, описываемые теорией относительности, создают аномалии прецессии.
Более ста лет назад именно зафиксированная аномальная прецессия орбиты Меркурия в итоге привела к созданию теории относительности, но у этой пары пульсаров подобный эффект проявляется в 140 тысяч раз сильнее. Он настолько силен, что для точного моделирования орбитального пути астрофизикам пришлось учитывать направление вращения пульсара, поскольку это движение масс также оказывало значимый эффект на пространство-время.
"Физики называют это эффектом Лензе – Тирринга, или увлечением инерциальной системы отсчета, - рассказывают авторы. – В нашем эксперименте нам пришлось учитывать внутреннюю структуру пульсара, то есть, рассматривать его как нейтронную звезду, обладающую размерами и формой. Нам впервые удалось точно проследить за вращением нейтронной звезды, что позволило оценить размер объекта".
Именно это дало возможность вычислить, что радиус более быстрого пульсара не превышает 22 километра. Кроме того, выяснилось, что пульсар вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и по орбите. Это позволило ученым понять, как сформировалась система. Первоначально это была пара из двух звезд, и они обе взорвались как сверхновые одна за другой. Иногда при подобных взрывах один из компаньонов выбрасывается из системы, но, по-видимому, эта вспышка была недостаточно сильна.