Новое подтверждение теории относительности
Ученые Университета МакГилла (McGill University’s Department of Physics), исследуя систему двойного пульсара, подтвердили одно из следствий теории относительности Эйнштейна. Результат опубликован в Science за 4 июля 2008 г.
Пульсары представляют собой небольшие, сверхплотные звездные объекты, которые остаются после того, как массивные звезды умирают, взорвавшись как ссверхновые. Они имеют массу больше солнечной, но эта масса упакована так плотно, что звезда имеет поперечник, не превышающий размер такого города как Монреаль (типичный радиус нейтронной звезды – 10-15 км). Пульсары вращаются с невероятной скоростью, создают сильное гравитационное поле и излучают мощные пучки радиоволн в направлении своих магнитных полюсов.
Их можно сравнить с маяками на море: мы видим их излучение только когда пучок излучения попадает в поле зрения телескопа. В нашей Галактике известно более чем 1700 пульсаров, но только пульсарPSR J0737-3039A/B, открытый в 2003 году — единственный дважды двойной пульсар. Эта система состоит из двух пульсаров, вращающихся вокруг друг друга на очень тесной орбите, с периодом в 2.4 часа, при этом пучки излучения каждого из них «чиркают» по Земле. Они настолько близки друг к другу, что фактически их орбита имеет размер с диаметр Солнца. Двойной пульсар удален от нас на расстояние в 1700 световых лет.
Каждый пульсар излучает радиоволны вдоль своих магнитных полюсов – один с периодом в 23 миллисекунды, второй каждые 2.8 секунды. Удача состоит еще и в том, что плоскость орбиты этой системы практически совпадает с лучом зрения, и это создает идеальные условия наблюдения затмения одного пульсара другим. Затмение создается магнитосферой 2.8-секундного пульсара, областью, в которой плотное облако плазмы перехватывается магнитным полем пульсара. Эти затмения позволяют сделать вывод об ориентации 2.8-секундного пульсара, исходя из изменения пути, по которому происходит распространение света, испущенного другим пульсаром.
В соответствии с классической ньютоновской физикой ориентация оси вращения пульсара должна оставаться неизменной относительно удаленных звезд, когда он обращается вокруг второго компонента. Во вселенной Энштейна вещество искривляет пространство и замедляет время, и только скорость света остается неизменной. Одним из следствия теории относительности является наличие релятивистской прецессии оси вращения: ось вращения объекта должна медленно изменять направление по мере вращения пульсара относительно компаньона. Идея состоит в том что два массивных тела, вращающихся друг вокруг друга, будут искривлять пространство таким образом, что будет происходить смещение оси вращения тела относительно оси всей системы в целом, вызывая, таким образом, прецессию этой самой оси. При этом, чем массивнее изучаемые объекты, тем легче обнаружить эффект.
Проверить теорию не так легко. Исследователям необходимо два очень плотных объекта, вращающихся достаточно близко друг к другу, и чтобы можно было наблюдать процессы, происходящие между ними. Черные дырыв этом смысле не подходят для наблюдений: они хоть и обладают огромной плотностью, но у них существует так называемый горизонт событий, из-за наличия которого наблюдатель просто ничего не видит. Отсутствие кандидатов, а так же малая мощность имеющихся телескопов были главными барьерами в решении этой задачи в течение многих лет.
Наконец, после открытия в 2003 году системы из двух пульсаров, ситуация изменилась. И что очень важно в нашем случае — в системе существуют затмения: один пульсар затмевает другой каждые 2.4 часа, и затмение длится около 30 секунд. При этом магнитосфера первой звезды частично поглощает радиоволны от второй, что позволяет исследовать их пространственную ориентацию. Именно этот факту и позволил обнаружить геодезическую прецессию: в ходе каждого затмения удалось измерить угол прецессии (поворота) радиосигнала и таким образом определить прецессию самого пульсара.
Исследователи Рене Бретон, Виктория Каспи (Ren? Breton, Dr. Victoria Kaspi) из Университета МакГилла, а также их коллеги из США, Великобритании, Франции и Италии изучали двойной пульсар с помощью 100-метрового радиотелескопа Robert C. Byrd Green Bank Radio Telescope в NRAO (National Radio Astronomy Observatory в Green Bank).
В течение четырех лет ученые кропотливо изучали сигналы одного из пульсаров и измеряли направление сигнала по время затмения. Исследователи открыли, что один из двух пульсаров действительно прецессирует, как и предсказывалось теорией относительности. (На рисунке изображено изменение фазы вращения компонента В с течением времени. Использованы данные из презентации авторов). Было определено, что ось пульсара прецессирует со скоростью 4.77 ± 0.66 градусов в год. Вычисления согласно теории Эйнштейна дают величину в 5.07 градусов/год, что находится в хорошем согласии с наблюдениями.
Вообще говоря, прецессия осей вращения наблюдается и в Солнечной системе, но при этом различить величины, предсказанные общей теорией относительности или альтернативными теориями гравитации, очень сложно — необходимо мощное гравитационное поле, чтобы эффект проявился в достаточной мере. Система двух пульсаров предоставила именно такую возможность.