Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Измерения временны́х параметров показали, что эксцентриситет самой орбиты прецессирует – кстати, весьма быстро. Помните о прецессии перигелия Меркурия? Урбен Леверье установил, что она превышает расчетную величину, полученную им на основе теории всемирного тяготения Ньютона. Эйнштейн смог объяснить набегающее за 100 лет наблюдаемое превышение в 43″ искривлением пространственно-временного континуума. Но этот релятивистский эффект намного больше в случае орбиты пульсара – свыше 4° в год. Это означает, что орбита пульсара прецессирует за один день на такую же величину, на которую орбита Меркурия – примерно за год. А этот факт может означать лишь одно – очень сильное искривление пространственно-временного континуума, вызываемое очень сильным гравитационным полем.

Это еще не все. Пульсары – идеальные часы природы. Пульсар, совершающий орбитальное движение в двойной звездной системе, можно уподобить атомным часам, движущимся по орбите вокруг Земли. Это астрофизический аналог эксперимента Хафеле – Китинга, описанного в главе 3, только без человека, летящего в компании часов. Разумеется, эффект намного сильнее, чем намерили Хафеле и Китинг, благодаря высокой орбитальной скорости пульсара, колеблющейся от 110 до 450 км/с. Это примерно в 1000 раз быстрее самолета, которым вы обычно летаете, порядка 1/1000 скорости света.

Эффект Доплера, эксцентриситет, прецессия орбиты, замедление времени – каждый эффект приносил новый фрагмент знания. Соберите их воедино – и сможете рассчитать неизвестные вам параметры. Например, наклон орбиты, составляющий около 45°, или истинное пространственное расстояние между двумя вращающимися звездами, варьирующееся в пределах от 746 000 до 3 153 600 км. А главное, массы двух объектов: сам пульсар на 44,1 % массивнее Солнца, что типично для нейтронной звезды, но его пара почти столь же увесиста – на 38,7 % массивнее Солнца. Может ли это быть нормальная звезда? Исключено, поскольку такая звезда была бы и намного больше Солнца – слишком большой, чтобы вписаться в орбиту пульсара.

Маленькая, массивная и невидимая даже в самые большие телескопы – что это? Вероятно, вы догадались: еще одна нейтронная звезда, имеющая такую ориентацию, что ее невозможно наблюдать как пульсар, во всяком случае с Земли. Астрономы с какой-нибудь далекой планеты, быть может, принимают узконаправленные импульсы этого пульсара (если он вообще что-нибудь излучает). Для них наш пульсар невидим.

Нужно также понимать, что большинство инопланетных астрономов вообще не смогли бы наблюдать эту систему, поскольку оказались бы в стороне от линий направления излучения обоих пульсаров. Нам очень повезло. В Млечном Пути должно быть много двойных нейтронных звезд, которые мы не в состоянии видеть. Они могут яростно излучать, но не в нашу сторону.

_________

Это впечатляющий пример расследования. Все, что есть, – «бип-бип-бип» одного пульсара, но для проницательного Шерлока Холмса от астрофизики этого достаточно. Тщательно анализируя малейшие отклонения от совершенной регулярности, вы сможете получить все необходимые сведения об удивительной системе двойных звезд плюс проверить предсказания ОТО Эйнштейна. (Как вы, наверное, догадались, теория блестяще прошла испытание.)

В 1975 г. Халс ушел из Массачусетского университета в Амхерсте, и Тейлор продолжил расследование совместно с Джоэлом Вайсбергом, студентом-дипломником Университета Айовы, научным руководителем которого впоследствии и стал. Вместе они совершили судьбоносное открытие.

Тейлор и Вайсберг понимали, что, если теория Эйнштейна верна, двойной пульсар должен терять энергию. Имеются два массивных компактных объекта, вращающихся вокруг друг друга с головокружительной скоростью. ОТО утверждает, что эти ускоряющиеся массы должны вызывать возмущение пространства-времени – гравитационные волны. Волны будут уносить энергию. Вследствие этого можно ожидать уменьшения орбитальной энергии пары нейтронных звезд. Медленно, но верно они будут сближаться по спирали. Орбита должна сужаться, период обращения по ней – сокращаться.

Массы и орбита двойных нейтронных звезд известны с высокой точностью. Подставляем эти величины в уравнения Эйнштейна и получаем прогноз постепенного снижения орбиты. За год среднее расстояние между двумя нейтронными звездами должно уменьшаться на 3,5 м. Как вы понимаете, его трудно измерить с расстояния 20 000 св. лет. Но соответствующее сокращение периода обращения составляет 76,5 мкс в год, и оно скажется на интервалах поступления импульсов по крайней мере через пару лет.

Так и случилось. В 1978 г. Тейлор, Вайсберг и их коллеги обнаружили, что результаты наблюдений полностью соответствуют предсказаниям ОТО. Эйнштейн был прав! Они объявили об этом на 9-м Техасском симпозиуме в Мюнхене в декабре того же года, через два месяца сообщение об открытии появилось в Nature. Вывод был очевиден: сужение орбиты двойного пульсара явилось доказательством – косвенным, но очень убедительным – существования волн Эйнштейна.

Нобелевский комитет придерживался той же точки зрения. В ноябре 1993 г. Нобелевская премия по физике была присуждена «за открытие нового типа пульсара – открытие, создавшее новые возможности изучения гравитации». Престижную награду разделили Джо Тейлор (в 1981 г. перебравшийся в Принстонский университет) и Рассел Халс[36].

А Джоэл Вайсберг? Почему он не был включен в число лауреатов? В открытии двойного пульсара он не участвовал, к тому времени, когда Тейлор и Вайсберг открыли эффект волн Эйнштейна, Халс работал в области физики плазмы – в совершенно другой сфере. Он не открывал сужения орбиты пульсаров. Более того, Нобелевская премия может вручаться максимум троим. Вайсберг мог стать третьим лауреатом. Почему его обошли?

По какой-то причине Нобелевский комитет демонстрирует неоднозначное отношение к работам, связанным с пульсарами. В 1974 г., в тот год, когда Халс обнаружил двойной пульсар, комитет отдал половину Нобелевской премии по физике Энтони Хьюишу «за судьбоносную роль в открытии пульсаров». Видимо, под «судьбоносной ролью» следует понимать тот факт, что он нанял студентку, ставшую настоящим автором открытия. Новаторский труд Джоселин Белл даже не был упомянут!

Ныне Вайсберг трудится в Карлтонском колледже в Нортфилде (штат Миннесота) и, хотя не удостоился признания Шведской королевской академии наук, счастлив, что открытие было оценено по достоинству[37]. Он до сих пор следит за пульсаром Халса – Тейлора, как его теперь принято называть. С годами измерения стали еще более точными. Отклонений от предсказаний Эйнштейна до сих пор не обнаружено. Вайсберг изучает и другие двойные пульсары. На сегодняшний день их открыты десятки. Для астрофизиков это бесплатные гравитационные лаборатории космического базирования: арендуйте радиотелескоп, подключите устройство учета времени и можете работать.