6
Точность часовых механизмов

«Пульсар» – американский часовой бренд, компания-производитель которого входит в Seiko Watch Corporation. В 1972 г. она создала первые часы с ЖК-экраном. Электронные. Цифровые. Очень крутые (имейте в виду, это было 45 лет назад).

«Пульсар» – это и модель хэтчбека, выпущенная в 1978 г. японским автомобилестроительным концерном «Ниссан». Так же называются популярный спортивный мотоцикл индийской компании Bajaj Auto Ltd. и британский производитель высокотехнологичного осветительного оборудования, собирающий приборы ночного видения в Литве.

До 1967 г. слова «пульсар» не существовало. Оно было впервые употреблено в английской газете Daily Telegraph весной 1968 г. в статье, посвященной не часам, автомобилям, мотоциклам, лампам или приборам ночного видения, а поразительному открытию астрономов. Через 10 лет это открытие привело к первой непрямой регистрации гравитационных волн.

В главе 5 вы познакомились с нейтронными звездами. Это останки сверхновых – трупы массивных звезд, погибших в самоубийственном взрыве. Очень маленькие и невероятно плотные, нейтронные звезды – одни из самых своеобразных обитателей Вселенной. Их существование было предсказано в 1934 г. Вальтером Бааде и Фрицем Цвики, двумя европейскими астрономами, эмигрировавшими в Соединенные Штаты, как и Эйнштейн.

Взрывы сверхновых должны были происходить в нашей Галактике в течение миллиардов лет. Поэтому в 1960-х гг. астрономы прекрасно знали, что в Млечном Пути находятся десятки миллионов нейтронных звезд, но не могли найти ни одной. Это неудивительно. Хотя поверхность новорожденной нейтронной звезды является невероятно горячей, ее площадь – всего несколько сотен квадратных километров. Совокупное высокоэнергетическое излучение относительно слабо. Даже находящуюся рядом нейтронную звезду было бы трудно обнаружить.

Поэтому стало неожиданностью открытие, сделанное 24-летней студенткой-дипломницей Джоселин Белл. Уроженка Северной Ирландии, Белл работала в английском Кембриджском университете под руководством радиоастронома Энтони Хьюиша. В 1960-х гг. радиоастрономия, изучающая длинноволновое излучение изо всех уголков Вселенной, была относительно новой сферой научной деятельности, и открытия совершались постоянно.

Радиотелескоп, в построении которого участвовала Белл, представлял собой конструкцию из деревянных опор, соединенных проводами, – нечто вроде телевизионной антенны старого типа, но намного больше. Недорогая система ловила космические радиоволны и каждый день выдавала около 30 м записей самописца, напоминающих данные сейсмографа.

Стояло лето 1967 г. – «Лето любви». Хиппи курили травку в районе Хейт-Эшбери в Сан-Франциско, «Битлз» записывали альбом «Magical Mystery Tour», а Джоселин Белл корпела над записями радиотелескопа в надежде найти в этих загогулинах что-нибудь неожиданное.

Осенью 1967 г. надежда оправдалась.

Белл обнаружила таинственный пульсирующий радиосигнал из маленького созвездия Лисы – короткий «пик» каждые 1,3 секунды, словно космический метроном.

Возможно, вы слышали эту историю, она правдива: несколько недель Белл Хьюиш и их коллеги допускали, что нашли инопланетян. Какой природный феномен мог выдавать такой частый, чрезвычайно регулярный сигнал? Казалось, он имел искусственное и в то же время, безусловно, внеземное происхождение. Они даже обозначили сигнал аббревиатурой LGM-1, от «маленькие зеленые человечки» (little green men).

Как ни странно, Белл это раздражало, хотя молодому астроному должна была льстить мысль, что она, возможно, нашла свидетельство существования инопланетян. «Я пытаюсь выжать себе диссертацию из нового метода, а идиотские зеленые человечки, видите ли, выбрали мою антенну и частоту, чтобы связаться с нами», – вспоминала она во время застольной речи на конференции в Бостоне в декабре 1976 г.

Вера в маленьких зеленых человечков не затянулась. Через пару месяцев Белл нашла еще три аналогичных источника пульсирующих радиосигналов в совершенно других частях неба. Невероятно, чтобы четыре самостоятельные инопланетные цивилизации пользовались одним и тем же видом связи. Это природный феномен. Статья с сообщением об открытии была опубликована 24 февраля 1968 г. в журнале Nature. Возможное объяснение приводилось уже во вводной части: «Представляется, что излучение исходит от локальных объектов внутри галактики… и может быть связано с колебаниями белых карликов или нейтронных звезд».

Вскоре, давая интервью Daily Telegraph, Хьюиш впервые употребил слово «пульсар» – сокращение от «пульсирующая звезда» (pulsating star).

Почему нейтронная звезда излучает регулярные импульсы в радиодиапазоне частот?

Не из-за колебаний, как предполагалось в статье из Nature. Нейтронные звезды не только имеют немыслимую плотность, но и быстро вращаются вокруг своей оси. Вращение вызвано сохранением углового момента, но давайте назовем его эффектом фигуриста. Видели выступления российского фигуриста Евгения Плющенко? Он завоевал четыре олимпийские медали и выиграл чемпионаты мира 2001, 2003 и 2004 гг. Вероятно, вы заметили: когда он прижимает руки к телу во время вращения, скорость вращения возрастает. Это закон природы: вращающиеся объекты, уменьшающиеся в размерах, вращаются все быстрее. (Даже не умея кататься на коньках, вы можете испытать этот эффект на себе. Сядьте на офисный стул, раскиньте в стороны руки и ноги и попросите кого-нибудь как можно сильнее вас раскрутить. Теперь подожмите конечности, и вы все увидите сами.)

Медленно вращающееся ядро массивной звезды, коллапсирующее из нейтронов в шар менее 25 км в поперечнике, – это астрофизический двойник Евгения Плющенко: скорость вращения резко возрастает. Новорожденные нейтронные звезды могут совершать много оборотов в секунду.

Коллапс ядра звезды имеет еще одно следствие – резкий рост силы его магнитного поля. Нейтронные звезды обладают магнитными полями, по меньшей мере в сотни миллионов раз сильнее земного. Маленький плотный нейтронный шар – это очень сильно намагниченный, быстро вращающийся космический волчок.

Дальше самое интересное. Вращающийся магнит создает электрический ток – владельцы электровелосипедов со старомодными генераторами знают, о чем я говорю. Электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, а разогнанные частицы создают свет и другие формы электромагнитных волн, как объяснил Максвелл. Иными словами, намагниченные нейтронные звезды излучают электромагнитные волны в направлении своей магнитной оси. Из северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды устремляются в пространство мощные пучки радиоволн, света и даже рентгеновского излучения. (Обратите внимание: из северного и южного магнитных полюсов. В большинстве случаев они не совпадают с одноименными полюсами вращения. Это касается и Земли.) Итак, возникающие при вращении нейтронной звезды узкие пучки излучения пронизывают пространство подобно направленному лучу прожектора. Если ваш радиотелескоп окажется на пути одного из этих пучков, вы будете фиксировать короткий радиоимпульс с каждым оборотом звезды. Нейтронная звезда проявит себя как пульсар. (У некоторых пульсаров наблюдались также импульсы оптического и/или рентгеновского излучения.)

Благодаря эффекту прожектора пульсары в принципе можно обнаружить, при условии что вы находитесь в нужном месте. Открытие Джоселин Белл стало первым наблюдением нейтронной звезды после предсказания их существования, выдвинутого Бааде и Цвики 30 годами раньше. Частота радиоимпульсов (один импульс каждые 1,3373 секунды) сразу же дала астрономам период обращения нейтронной звезды. Вращается она очень быстро. Представьте объект размером с Лондон или Париж, совершающий три оборота вокруг оси каждые четыре секунды.

Какой материал! Вот первая реакция астронома Джо Тейлора на известие о пульсарах. Он прочел статью в Nature, когда ему было 26 лет. В Гарвардском университете в городе Кембридже (штат Массачусетс) Тейлор только что завершил диссертацию на соискание степени доктора философии, посвященную затенению источников радиосигналов Луной, но пульсары показались ему гораздо более интересным объектом для изучения. Тейлор не собирался, как Белл, лично просматривать бесконечные ленты самописца. Он решил наладить систематический автоматизированный поиск и отправился в Национальную радиоастрономическую обсерваторию в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). В течение года Тейлор с коллегами обнаружили еще шесть пульсаров. Охота началась.

Я убежден, что Альберт Эйнштейн оценил бы пульсары. Часть его ОТО касается влияния сильных гравитационных полей на ход времени. Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды составляет несколько сот миллиардов g – оно в несколько сот миллиардов раз сильнее, чем поле, действующее на падающее земное яблоко. Более того, пульсары – очень точные часы (невообразимо более точные, чем наручные часы, названные их именем). Лучшей лаборатории по изучению эффектов ОТО и желать нельзя. Неудивительно, что астрономам захотелось найти все пульсары, доступные для наблюдения.

Проще сказать, чем сделать. Большинство радиотелескопов имеют чрезвычайно узкое поле зрения. Куда смотреть, заранее не известно. Какой период импульсов искать, тоже не известно. Более того, на более низких радиочастотах импульс приходит позже, чем на более высоких. Радиоволны слегка замедляются небольшим количеством электронов, присутствующих в почти пустом межзвездном пространстве, и чем ниже их частота, тем сильнее эффект. Поэтому при наблюдении в определенном диапазоне частот, как это обычно и происходит, импульсы смазываются – радиоастрономы называют это дисперсией. Импульсы будут выделяться на фоне неустранимого фонового шума, только если нейтрализовать этот эффект, но степень дисперсии зависит от расстояния до пульсара: чем он дальше, тем больше электронов на пути импульса. Поскольку расстояние до не открытого пока пульсара не известно, вы не знаете и степени дисперсии, которую нужно нейтрализовать.

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, 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.)

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.

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. 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.

Одной из самых удивительных двойных систем является PSR J0737–3039. Ее открыла в 2003 г. итальянский радиоастроном Марта Бургей при помощи 64-метрового радиотелескопа австралийской радиообсерватории Паркс. Цифры в названии системы – это своего рода небесный адрес: они представляют местоположение пульсара в небе в южном созвездии Кормы. (Первый пульсар, обнаруженный Джоселин Белл, официально называется PSR B1919+21, пульсар Халса – Тейлора в созвездии Орла – PSR B1913+16. Как свидетельствуют номера, они наблюдаются на небе недалеко друг от друга.)

В чем особенность J0737? Это единственная известная система, состоящая из двух пульсаров. Хотя первым открытым двойным пульсаром была двойная нейтронная звезда, импульсы регистрировались лишь от одного компонента системы. В J0737 обе нейтронные звезды наблюдаются как пульсары. Более того, они имеют очень тесную орбиту, следовательно, высокие скорости и сильные ускорения. Это дает возможности более точных измерений и дополнительных перекрестных проверок результатов.

У J0737 есть еще одна необычная особенность. Орбитальная плоскость, в которой кружатся два пульсара, видна нам практически с ребра. Каждые 1,2 часа (это половина орбитального периода) один оказывается позади другого, и его импульс проходит очень близко от ближнего пульсара для наблюдателя с Земли. Из-за сильного гравитационного поля время испытывает гравитационное замедление, и сигналу требуется больше времени, чтобы достичь наших радиотелескопов, чем в отсутствие этого эффекта. Эта задержка – так называемый эффект Шапиро – измерена с высокой точностью. Она именно такова, как предсказывает ОТО.

Ирвину Шапиро не могло прийти в голову, что метод проверки ОТО, названный его именем, будет применен к двойным пульсарам. В 1964 г., когда астрофизик MIT Шапиро описал этот эффект, пульсары еще не были открыты. Шапиро предложил эксперимент, в ходе которого сигналы радара отражались от поверхности Меркурия и Венеры во время верхнего солнцестояния, когда планета оказывается с дальней стороны от Солнца, с точки зрения земного наблюдателя. Сигналам радара пришлось бы проходить через гравитационное поле Солнца. Точные измерения времени прохождения импульсов показали бы величину задержки сигнала.

Первые эксперименты, поставленные Шапиро с коллегами в 1967 г., были не особенно точными, однако задержку удалось измерить, и результаты согласовывались с предсказаниями Эйнштейна. Впоследствии эффект Шапиро был также измерен (гораздо точнее) на коммуникационных радиосигналах космического зонда НАСА «Кассини», находящегося на орбите Сатурна с 2004 г. Самые свежие наблюдения за PSR J0737–3039 позволили добиться еще большей точности.

Другой поразительный двойной пульсар – PSR J1906+0746 был открыт в 2004 г. с помощью радиотелескопа в Аресибо. Он совершает оборот каждые 144 мс, выдавая почти 7 радиоимпульсов в секунду. Ничего особенного! (Постепенно привыкаешь ко всему, даже к существованию сверхплотных звезд размером с мегаполис, вращающихся со скоростью колеса мчащейся машины.) Но в 2008 г. импульсы начали слабеть и к 2015 г. совершенно пропали. Вот это нечто особенное!

Или нет? Затухание сигнала PSR J1906+0746 объясняется ОТО и вызывается геодезической прецессией, известной также как прецессия де Ситтера. Благодаря сильному искривлению пространственно-временного континуума ориентация оси вращения пульсара медленно меняется. (Тот же эффект был обнаружен Gravity Probe B, я рассказывал об этом в главе 3.) Намагниченный космический волчок вихляет. Вследствие этого узконаправленные пучки радиоволн перестают попадать на Землю. Для нас пульсар исчезает. К счастью, он предположительно должен вновь появиться примерно в 2170 г. Будущие радиоастрономы, сделайте пометку в календаре! (Кстати, и геодезическая прецессия, и эффект Шапиро были также обнаружены у пульсара Халса – Тейлора в 1989-м и 2016 г. соответственно.)

Мы прошли долгий путь с того момента, когда «идиотские зеленые человечки» едва не погубили диссертацию Джоселин Белл. Полвека детективной работы астрономов позволили обнаружить свыше 2000 пульсаров в галактике Млечный Путь, в том числе десятки пульсаров в составе систем двойных звезд. Это замечательный материал для астрономов, желающих понять финальные стадии эволюции массивных звезд. Это ценные данные для специалистов по ядерной физике, изучающих поведение материи при экстремальной плотности. Для последователей Альберта Эйнштейна нет лучшего способа раскрыть секреты пространственно-временного континуума, чем работая с этими космическими гравитационными лабораториями.

В рамках нашей темы, разумеется, самым важным наблюдением является снижение орбиты двойных пульсаров. Тот факт, что орбитальный период пульсара Халса – Тейлора сокращается на 76 мкс в год, служит косвенным доказательством существования гравитационных волн. Напомню, что ускоряющиеся массы вызывают пульсацию пространственно-временного континуума – волны Эйнштейна. Волны уносят энергию. Потеря энергии системой двойных звезд приводит к сужению орбиты. Все просто!

Если вас интересует количество теряемой энергии, она огромна. Каждую секунду пульсар Халса – Тейлора лишается 7,53×10²⁴ Дж. Это примерно в 1000 раз больше энергии, выделившейся 66 млн лет назад при столкновении с Землей астероида диаметром 10 км, повлекшем за собой вымирание динозавров. За секунду!

Если столько энергии перекачивается в пространственно-временной континуум, то возникающие при этом волны Эйнштейна должны быть гигантскими. По крайней мере так кажется на первый взгляд. Однако они крохотные. Невообразимо крохотные. Помните, я сравнивал встряхивание банки с желе и удар кувалдой по бетонному блоку? Пространственно-временной континуум обладает немыслимой жесткостью. Даже энергии тысячи столкновений с астероидами-убийцами в секунду недостаточно, чтобы вызвать в нем возмущение, которое можно было бы заметить.

Кстати, гравитационные волны пульсара Халса – Тейлора имеют очень низкую частоту. Орбитальный период 7,75 часа предполагает частоту около 73 мкГц. Соответствующая длина волны – гигантские 4,2 млрд км. Таким образом, мы говорим об исключительно длинных, низкочастотных, низкоамплитудных волнах. Есть ли у нас шансы измерить их? Ни единого, тем более с расстояния 20 000 св. лет.

Но в будущем ситуация улучшится. Две нейтронные звезды медленно, но верно сближаются по спирали. Чем ближе они друг к другу, тем меньше орбитальный период. Двойные системы излучают две гравитационные волны при каждом прохождении орбиты, поэтому частота пульсаций пространственно-временного континуума постепенно увеличивается – как и амплитуда волн, поскольку нейтронные звезды вращаются по сужающимся орбитам и испытывают все большие ускорения. Меньше длина волны, выше частота, больше амплитуда. Если мы будет достаточно терпеливы, то сможем напрямую обнаружить волны Эйнштейна, идущие от пульсара Халса – Тейлора. Это хорошие новости.

Есть и плохие. Терпения потребуется много. Волны останутся неизмеряемыми до тех пор, пока две нейтронные звезды не начнут с бешеной скоростью носиться по орбите на расстоянии всего нескольких десятков километров друг от друга. Перед самым их столкновением – и, возможно, превращением в ЧД – частота и амплитуда волн существенно возрастут. Слияние вызовет последний мощный выброс волн Эйнштейна, который смогут зарегистрировать датчики на Земле, – физик из Принстона Фриман Дайсон предсказал это еще в 1963 г. Но с пульсаром Халса – Тейлора это произойдет не раньше, чем через 300 млн лет.

Впрочем, другие двойные звезды ведут себя так же: сужение орбиты, уменьшение периодов и в конце концов столкновение. Например, PSR J0737–3039 (знаменитый двойной пульсар) сольется примерно через 85 млн лет. Системе из двух белых карликов WD 0931+444 осталось жить меньше 9 млн лет. Другая двойная звезда, состоящая из белых карликов, J0651+2844 сольется через каких-то 2,5 млн лет. Возможно, в Млечном Пути есть системы двойных звезд, столкновение которых произойдет через 10 лет или завтра. Помните, множество двойных нейтронных звезд не наблюдаемы для нас, потому что их узконаправленные импульсы ориентированы в других направлениях.

Более того, незачем ограничиваться Млечным Путем. Финальное слияние двух массивных компактных объектов, таких как нейтронные звезды или белые карлики, порождает мощные волны Эйнштейна – настолько мощные, что их можно зарегистрировать на Земле, даже если столкновение произошло в соседней галактике. Постройте чувствительный детектор гравитационных волн и сможете уловить пульсации пространства-времени вследствие слияния нейтронных звезд на расстоянии десятков миллионов световых лет.

Любопытно, что слияния столь далеких нейтронных звезд, возможно, уже наблюдались. То и дело искусственные спутники Земли фиксируют короткие выбросы высокоэнергетического гамма-излучения в глубоком космосе. Эти гамма-всплески (читайте о них в главе 14) бывают двух видов. Длинные, длительностью много секунд или даже минут, вероятно, являются следствием взрыва сверхмассивных звезд. Короткие, в долю секунды, скорее всего, вызваны слияниями нейтронных звезд в далеких галактиках.

Как бы то ни было, открытие пульсаров и обнаружение снижения орбиты компактных систем двойных звезд чрезвычайно вдохновило охотников на гравитационные волны и подхлестнуло поиски. Как писали Джоэл Вайсберг, Джо Тейлор и Ли Фоулер в 1981 г. в статье для журнала Scientific American: «Изучение двойного пульсара станет стимулом для исследователей, работающих над экспериментами с гравитационными волнами. Теперь представляется несомненным, что предмет их поисков действительно существует».

Гравитационные волны действительно существуют.

Нейтронные звезды действительно сталкиваются.

Настал момент для прямой регистрации неуловимых возмущений пространственно-временного континуума!

Если резонансные антенны для этого не годятся, пора применить новый подход и новое оборудование, намного более чувствительное, чем алюминиевые цилиндры Джо Вебера: лазерный интерферометр.