Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Тем не менее к 1974 г. открытие новых пульсаров стало почти обыденностью – по крайней мере для Рассела Халса, студента-дипломника Массачусетского университета в Амхерсте, куда Тейлор перешел в 1969 г. Задача Халса: обшаривая Млечный Путь, найти как можно больше пульсаров. Его инструмент: 305-метровый радиотелескоп обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико[35], впоследствии прославившийся благодаря таким фильмам, как «Золотой глаз» (1995) и «Контакт» (1997). Его оружие: выносливость.

Халс провел в Аресибо почти весь 1974 г., терпя жару, влажность и кровососущих насекомых, а также нелюбовь к новинке того времени, 32-килобайтному мини-компьютеру. Несколько часов ежедневно, когда Млечный Путь стоял высоко над гигантской тарелкой телескопа, он собирал данные радионаблюдений, затем вносил их в компьютер. Специализированное программное обеспечение искало короткие импульсы, перебирая, ни много ни мало, полмиллиона возможных комбинаций различных периодов следования импульсов и величин дисперсии. То и дело поиск давал результаты. В среднем Халс находил по новому пульсару каждые 10 дней. Думаю, коллеги называли его Рассел Пульс.

Нечто неожиданное произошло летом 1974 г. примерно во время скандала Уотергейт. Халс обнаружил особенно быстрый пульсар на расстоянии порядка 20 000 св. лет. Он совершал оборот за 59 мс, производя 17 чрезвычайно коротких радиоимпульсов в секунду. На тот момент это был второй самый быстрый пульсар, что само по себе делало его весьма интересным. Но недели через две, снова наблюдая пульсар, Халс заметил странность: период следования импульсов изменился, пусть несильно – менее чем на 1/10 000 секунды. Затем изменился снова, теперь в другую сторону. Халса это поразило. Разве пульсары не самые точные часы в природе? Как может массивный, сверхкомпактный нейтронный волчок внезапно ускориться или замедлиться?

Постепенно Халс пришел к выводу, что пульсар должен быть частью двойной звезды. Если он взаимно обращается с другой, невидимой, звездой, то попеременно приближается к ней и удаляется от нее. Когда пульсар движется нам навстречу, его радиоимпульсы достигают Земли чуть более сближенными по времени – частота следования импульсов увеличивается. При движении от нас временные интервалы между импульсами слегка увеличиваются – частота уменьшается. Рассел Халс открыл первый пульсар в системе двойных звезд.

Наблюдаемое Халсом изменение частоты называется эффектом Доплера. То же самое происходит со звуком сирены неотложки, проносящейся мимо. Когда машина нагоняет вас, кажется, что звуки сирены становятся более высокими. Когда машина, обогнав вас, уносится вперед, звуки как будто растягиваются, отчего тон понижается.

Эффект был назван в честь австрийского астронома XIX в. Кристиана Доплера. В 1842 г. он предположил, что этим явлением объясняется поразительное цветовое различие некоторых двойных звезд. Свет приближающейся звезды, имеющий для наблюдателя более высокую частоту, кажется голубым, а удаляющейся – красноватым, соответствующим свету с меньшей частотой. В этом отношении Доплер ошибался: цвет звезд определяется температурой их поверхности, а не движением в пространстве. Звезды должны двигаться со скоростями, очень близкими к скорости света, чтобы изменение их цвета стало наблюдаемым. Действительно, имеющие общую орбиту двойные звезды демонстрируют малое изменение частоты (или длины) волны, но на глаз этого не заметишь, и зарегистрировать этот эффект могут только очень чувствительные измерительные приборы.

Три года спустя, в 1845 г., нидерландский метеоролог Христофор Бёйс-Баллот первым продемонстрировал эффект Доплера для звуковых волн, но вместо кареты скорой помощи в его эксперименте участвовал поезд. Только что была проложена железнодорожная линия между голландскими городами Амстердамом и Утрехтом, и Бёйс-Баллот поставил следующий опыт. Паровоз ездил туда-сюда по пути в окрестности станции Маарссен – деревушки всего в 7 км к северо-западу от Утрехта, а участники эксперимента на поезде и на платформе играли на горнах тон одной высоты. Эффект Доплера был очевидным: не нужно было обладать музыкальным слухом, чтобы уловить разницу частот. (Мне очень нравится эта история, потому что я вырос в Маарссене в нескольких сотнях метров от железнодорожной станции.)

Чем так интересен пульсар в системе двойной звезды? Хотя бы тем, что помогает определить массу нейтронной звезды, что принципиально для понимания подлинной природы этих необычных объектов. Более того, зная массу и точную орбиту нейтронной звезды в системе, можно проверить некоторые предсказания ОТО Эйнштейна. Всю эту информацию можно получить, внимательно изучая время регистрации радиосигналов.

Помните о законе сохранения углового момента (иначе – эффекте фигуриста)? Он объясняет, почему Евгений Плющенко вращается быстрее, когда прижимает руки к телу. Он же гарантирует, что массивные, быстро вращающиеся вокруг оси тела сохраняют вращение, пока на них не подействует внешняя сила.

В случае Плющенко главной тормозящей силой является сила трения коньков о лед. Не будь трения (и сопротивления воздуха), вращение никогда бы не прекратилось. У нейтронных звезд нет коньков, и в космическом вакууме отсутствует сопротивление воздуха. Более того, нейтронные звезды намного массивнее среднестатистического фигуриста, и это главная причина, по которой их намного труднее замедлить. Вследствие этого нейтронная звезда фактически вращается вечно с неизменной скоростью. (Для педантов уточняю, что присутствует некоторое магнитное торможение, но чрезвычайно слабое – в течение человеческой жизни его заметить невозможно.)

Если скорость вращения нейтронной звезды не меняется, значит, все странности со временем обнаружения импульсов объясняются каким-то другим физическим эффектом. Остается проводить измерения, анализировать данные, распутывать загадки, делать умозаключения и проверять выводы.

Эффект Доплера, обнаруженный Халсом, – это самая простая составляющая. Халс видел, как частота пульсаций возрастала, а затем убывала за период в 7 часов 45 минут. Если причиной является обращение пульсара по орбите, следовательно, период обращения также составляет 7 часов 45 минут (точнее, 7 часов 45 минут 7 секунд). Это первый параметр орбиты.

Если бы орбита представляла собой правильную окружность, то наблюдаемая частота импульсов менялась бы постепенно и симметрично. Но это не так. В среднем частота равна 16,94 импульса в секунду (что соответствует угловой скорости вращения 59,03 мс). Около 5 часов при каждом орбитальном витке наблюдается меньшая частота, это означает, что пульсар удаляется от нас. В оставшиеся 2 часа 45 минут наблюдается бóльшая частота, следовательно, пульсар приближается. Никакой симметрии. Из этого со всей очевидностью следует, что орбита не круговая, а высокоэксцентрическая. (Для справки: эксцентриситет орбиты составляет 0,617.) Это второй фрагмент информации.

Тейлор и Халс также обнаружили, что орбита пульсара не может быть намного больше 1 млн км в диаметре. Когда пульсар находится на дальней стороне своей орбиты (по отношению к Земле), импульсы приходят примерно на 3 секунды позже, чем с ближней части орбиты. Радиоволны распространяются со скоростью света (300 000 км/с), таким образом, 3 секунды соответствуют почти 1 млн км. (Это, конечно, размер в проекции, измеряемый вдоль направления взгляда. Если орбита наклонена, истинный размер будет больше.)