Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

хронометрирования массива пульсаров, то есть уловить объединенные сигналы тысяч или даже миллионов сверхмассивных черных дыр, находящихся в процессе слияния. “На это уходит очень много времени. Мы не собираемся искать то, что видит LIGO, который позволяет увидеть реальное слияние, – говорит Рэнсом, – мы наблюдаем эти черные дыры за тысячи или даже десятки тысяч лет до их слияния. Но когда они подходят очень близко друг к другу, то излучают гравитационные волны, то есть на ткани пространства-времени возникает периодическая рябь. И когда волны складываются все вместе по всей Вселенной, они образуют тот самый фон, который мы пытаемся обнаружить”.

Как только астрономы обнаружат такие сверхдлинные гравитационные волны, станет возможным узнать, сколько сверхмассивных черных дыр существует, как часто они сливаются и почему. Что заставляет их слиться – только ли гравитация? Или, возможно, рядом с черной дырой есть много избыточного газа или звезд, из-за которых они сливаются быстрее, чем это произошло бы, если бы они делали это только из-за гравитации?

Между тем и другие инструменты вот-вот присоединятся к охоте за сверхдлинными гравитационными волнами с помощью пульсаров. В 2034 году Европейское космическое агентство планирует запустить первый космический детектор гравитационных волн – LISA (Laser Interferometer Space Antenna, “лазерная интерферометрическая космическая антенна”). В то время как LIGO обнаруживает высокочастотные гравитационные волны от черных дыр со звездными массами, совершающих последние витки перед столкновением, а с помощью антенных систем для хронометрирования массивов пульсаров ученые надеются поймать сверхмассивные черные дыры, движущиеся по орбитам со скоростью один оборот за несколько лет, LISA будет изучать промежуточный диапазон: орбиты, оборот по которым занимает минуты. “Мы ожидаем, что LISA сможет обнаружить слияние белых карликов и окончательные слияния тех сверхмассивных черных дыр, которые NANOGrav обнаружит на ранней стадии спирального падения”, – говорит Линч. Астрономы знают, что существуют десятки тысяч двойных белых карликов, обращающихся друг относительно друга примерно с такой скоростью, но LISA также должна увидеть и другие интересные явления, такие как спиральное падение маленьких черных дыр на гораздо более крупные. Чтобы обнаружить низкочастотные, длинноволновые гравитационные волны, рождающиеся при всех этих событиях, LISA должна иметь очень длинные базы и вокруг не должно быть землетрясений и машин, развозящих пиццу, поэтому для этих целей было решено использовать группу из трех спутников, следующих за Землей по орбите вокруг Солнца14.

Что касается хронометрирования пульсаров, MeerKAT уже запустил проект MeerTlME, про который мы говорили раньше и который будет заниматься таймингом тысячи пульсаров. Ученые полагают, что антенная система для тайминга тысячи пульсаров должна придать большой импульс поиску сверхнизкочастотных гравитационных волн, потому что MeerKAT — самый чувствительный телескоп в Южном полушарии, используемый для хронометрирования. (Телескоп Arecibo более чувствителен, чем MeerKAT, чувствительность GBT почти такая же, а новый китайский телескоп FAST чувствительнее их всех – но эти радиотелескопы находятся в Северном полушарии.) MeerKATможет быть особенно полезен для хронометрирования тех пульсаров, которые испускают импульсы нерегулярно, то есть иногда дают сбои в периоде (глитчи) или меняется их излучение в радио- и рентгеновском диапазоне. На сегодняшний день существует лишь несколько хорошо хронометрированных пульсаров – в основном благодаря тому, что астрономы долго собирали данные о них. MeerKAT сможет значительно увеличить количество хорошо хронометрированных пульсаров и выполнить эти наблюдения за гораздо более короткий период, поскольку его чувствительность позволит получить тот же результат намного быстрее15.

Даже если астрономы не обнаружат гравитационные волны с помощью антенных систем для хронометрирования пульсаров, эти антенные системы могут оказаться полезными для некоторых других приложений, например для создания эталона времени на основе тайминга пульсаров. В настоящее время лучший стандарт на Земле – международное атомное время на базе атомных часов. Но всегда ли эти часы верны? “У нас есть множество атомных часов на Земле, показания которых усредняют, чтобы определить время. Но как их сравнить?” – задается вопросом Джордж Хоббс, астрофизик из исследовательского центра CSIRO в Сиднее. “Даже если вы сделали лучшие часы, вы не сможете их ни с чем сравнить”. В 2012 году он и его коллеги выдвинули предложение использовать первую шкалу времени на основе пульсаров – Ensemble Pulsar Scale (аналогичную шкале атомного времени, Ecbelle Atomique Libre), основанную на наблюдениях на антенной системе Паркса РРТА, чтобы сравнить атомное время со временем, измеренным по сигналам пульсара. В 1996 году было обнаружено, что атомное время немного отличается от пульсарного, хотя и всего на несколько микросекунд, что демонстрирует, как говорит Хоббс, возможность использования пульсарного времени в качестве независимой перекрестной проверки международного атомного времени.

Как мы знаем по экспериментам LIGO, пульсары не только являются потенциальными детекторами гравитационных волн с длиной волны порядка размера галактики, но и сами отлично генерируют гравитационные волны. А это, в свою очередь, делает их прекрасным инструментом для проверки правильности самой известной теории гравитации Альберта Эйнштейна – общей теории относительности.

Был ли Эйнштейн прав? Проверки, проверки…

Сказать “Это конец” никогда не бывает легко, особенно если речь идет о работе, на которую вы потратили годы. Но именно это и произошло в сентябре 2017 года, когда Мигель Зумалакарреги, физик-теоретик из Центра космологической физики Беркли, приехал в Институт теоретической физики в Сакле, расположенный недалеко от Парижа, чтобы выступить с докладом. До того, как сообщества LIGO и Virgo официально объявят миру о первом в истории наблюдении слияния двух нейтронных звезд, оставалось еще несколько недель. Но в научных сообществах, где работает более тысячи сотрудников, сложно держать новости в секрете, и слухи о столкновении уже распространились по социальным сетям, от университета к университету и от конференции к конференции. И Зумалакарреги готовился сказать аудитории, что это обнаружение – если оно окажется правдой – убьет целую кучу так называемых альтернативных теорий гравитации.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была принята научной общественностью более века назад, заменив теорию тяготения Исаака Ньютона. В общей теории относительности гравитация – это не сила, а искривление пространства-времени, поэтому она предсказывает, что массивные тела искривляют ткань пространства-времени, заставляя луч света изгибаться, когда тот проходит рядом с ними. Но ученые знают, что у общей теории относительности есть проблема: ее невозможно примирить с физикой, описывающей очень малые сущности, то есть с квантовой механикой. Общая теория относительности легко описывает силу тяжести, например, то, как ручка падает, если ее сбросить со стола. Она объясняет, почему, если вы находитесь в лифте и лифт движется вниз исключительно под действием силы тяжести, невозможно узнать, на Земле вы или в космическом корабле, который движется с постоянным ускорением. Это называется принципом эквивалентности, который утверждает,