Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

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.)

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.