Нобелівські пульсари в небі «Аресібо»

Серед безлічі яскравих результатів, отриманих на телескопі «Аресібо», є принаймні два відкриття нобелівського рівня. Обидва пов’язані з пульсарами. Інструмент завдяки своїй високій чутливості виявився особливо цінним у вивченні цих дивовижних об’єктів — обертових нейтронних зірок, що випромінюють спрямовані радіолучі, що чиркають по нас на кожному обороті пульсара, подібно променю маяка.

Подвійний пульсар і гравітаційні хвилі

Історію відкриття першого подвійного пульсара [1] чудово розповів Кліффорд Вілл, учень Кіпа Торна, у своїй книжці «Чи був Ейнштейн правий? Перевіряючи спільну теорію відносності «(Will Clifford M. Was Einstein right?: putting general relativity to the test. New York, 1986; відповідний розділ цієї книги в перекладі Костянтина Постнова опубліковано в журналі «Успіхи фізичних наук» [2]).

Джозеф Тейлор. Фото з сайту phy.princeton.edu

Професор Прінстонського університету Джозеф Тейлор влаштував свого студента Рассела Халса попрацювати на радіотелескопі «Аресібо» на час літніх канікул 1974 року. Робота була досить рутинною, але 2 липня Халс виявив у свіжих даних слабкий періодичний сигнал — він лише на 4% перевищував поріг реєстрації. Причому період пульсацій був другим за дещицею після пульсара в Крабовидній туманності — 0,059 секунди (до відкриття мілісекундних пульсарів, теж на телескопі «Аресібо», було ще далеко). Пульсар отримав стандартизоване ім’я («телефонний номер», як кажуть астрофізики) PSR1913 + 16 (за координатами на небі).

Халс відновив спостереження об’єкта 25 серпня, щоб уточнити період. При цьому всього за дві години період виріс на 30 мікросекунд. Це немислима величина для пульсара! Потім Халс виявив, що темп зміни періоду і навіть його знак змінюються з часом. За свідченням Леоніда Гурвіца (йому про це розповідали учасники подій), Рассел чіплявся до співробітників обсерваторії з проханням знайти свіжим поглядом помилку в його алгоритмі обробки, що призводить до дрейфу періоду.

Скоро вималювалася картина, зображена на рис. 1. Період змінювався періодично! Інтерпретація була очевидною і єдиною: період плаває через ефект Доплера при орбітальному русі пульсара навколо загального центру тяжкості з іншим важким об’єктом. Орбітальний період — 7 годин 45 хвилин, максимальна швидкість наближення до нас — 300 км/с, максимальна швидкість видалення — 75 км/с. Крива променевої швидкості радикально відрізняється від синусоїди тому, що орбіта пульсара (і, відповідно, його невидимого компаньйона) сильно витягнута. Відразу вдалося оцінити ексцентриситет (0,6) і довжину орбіти (6 млн км — це близько до довжини екватора Сонця). Про другий об’єкт можна було сказати лише те, що це не звичайна зірка — або білий карлик, або друга нейтронна зірка; у будь-якому випадку — досить компактний об’єкт, інакше проявилися б ефекти, пов’язані з перетягуванням речовини з зірки на пульсар і спотворенням радіоімпульсів через вплив плазми.

Ріс. 1. Променева швидкість пульсара залежно від орбітальної фази

Параметри орбіти та маси обох об’єктів вдалося виміряти не відразу. Справа в тому, що невідомий нахил площини орбіти до променя зору. Однак на допомогу прийшли більш тонкі ефекти.

Народ відразу ж оцінив відкриття подвійного пульсара з тієї точки зору, що знайдено прекрасний інструмент для перевірки загальної теорії відносності, причому Джозеф Тейлор був головним ентузіастом цієї ідеї. Внесок релятивістських ефектів, пропорційний квадрату орбітальної швидкості і гравітаційному потенціалу, виявився на півтора-два порядку вище, ніж для Меркурія.

Рассел Халс. Фото з «Вікіпедії»

Але справа не тільки в цьому: швидке стабільне обертання пульсара і короткий орбітальний період дозволяють виміряти ці ефекти з приголомшливою точністю. З дрейфу періастру системи виміряли невідому до того масу системи: 2,82843 маси Сонця (_M☉) (всі цифри — значущі). Щоб встановити співвідношення мас двох об’єктів, вимірювали внесок гравітаційного уповільнення часу в період обертання пульсара. У момент їх максимального зближення цей ефект становить 10 ^‑ 6, що в тисячу разів менше доплерівського зміщення, але все одно вимірювано з хорошою точністю. Перші результати: маси двох об’єктів близькі один до одного; пульсара — 1,42 M☉, невидимого компаньйона — 1,4 M☉. Згодом ці цифри були уточнені до 1,4411 M☉ і 1,3874 M☉ відповідно. Маса компаньйона виявилася дуже близькою до чандрасекарівської межі, при якому білий карлик втрачає стійкість і колапсує в нейтронну зірку. Теоретично він може бути білим карликом (точне значення чандрасекарівської межі залежить від хімскладу), але набагато ймовірніше, що це теж нейтронна зірка. На користь двох нейтронних зірок говорить моделювання еволюції парної системи. Найбільш імовірний наступний сценарій. Першим після вибуху однієї із зірок системи утворився спостережуваний пульсар. Потім він був розкручений падаючою на нього речовиною від компаньйона — цим пояснюється його короткий період. Потім вибухнув компаньйон з утворенням другої нейтронної зірки.

А тепер найголовніше. Досі загальна теорія відносності фігурувала як інструмент для вимірювання параметрів системи. Час сказати про значення пульсара для перевірки ОТГ. У теорії є нетривіальний ефект: випромінювання гравітаційних хвиль при орбітальному русі масивного тіла. На випромінювання йде енергія, орбіта стискається, період зменшується. Ефект нікчемний навіть для такої важкої і тісної системи двох тіл: в теорії період зменшується на 76 мікросекунд за рік. Але завдяки точності обертання пульсара він виявився вимірюваним. Перші значущі результати щодо зменшення періоду доповіли Тейлор і Халс 1978 року. Тоді уповільнення стало статистично значущим і збіглося з передбаченнями ОТГ з точністю 20%. Більш пізня картина представлена на рис. 2. Точність, що називається, очевидна.

Рис, 2. Випередження орбітальної фази пульсара (часу проходження періастру) відносно постійного періоду (точки; помилки вимірювання менші за розміри точок). Крива показує передбачення загальної теорії відносності

За 30 років спостережень орбітальна фаза пульсара попливла на 40 секунд. Таким чином, існування гравітаційних хвиль було продемонстровано майже за 40 років до їх реєстрації детектором LIGO. Через 300 млн років дві нейтронних зірки зіллються, втративши свій орбітальний момент на випромінювання гравітаційних хвиль. Відбудеться знатний феєрверк — десятки секунд сильних гравітаційних хвиль, короткий, але потужний гамма-сплеск, світіння кілонової, в сотні мільйонів разів яскравіше Сонця.

Тейлор і Халс отримали Нобелівську премію 1993 року. Відтоді були відкриті ще десятки подвійних пульсарів. Найкрутіший з них з точки зору ефектів ОТГ — PSR1534 + 12 — відкрив герой нашого наступного нарису Олександр Вольщан, радіоастроном з університету Пенсільванії, який почав свою наукову кар’єру в Польщі.

Планети жахів у пульсарів

У 1990 році Олександр Вольщан з Дейлом Фрейлом, працюючи на телескопі «Аресібо», відкрили мілісекундний пульсар PSR1257 + 12. Його період (6,2 мілісекунди) не був рекордно коротким, але вже через рік Вольщан виявив [3] особливість, що зробила об’єкт унікальним: його фаза щодо фази суворо постійного періоду плавала за місяці туди-сюди на пару мілісекунд. Причому крива дрейфа фази була досить складною (рис. 3): вона розкладалася на суму двох кеплерівських орбіт в парі з двома планетами з масами в кілька разів більше маси Землі. Пізніше, аналізуючи криву дрейфа фази, «витягли» третю, легку планету: її маса порівнянна з масою Місяця. Періоди обігу планет — 98, 66 і 25 днів, радіуси орбіт — 0,46, 0,36 і 0,19 астрономічних одиниць, орбіти близькі до кругових, дві важкі планети знаходяться в резонансі 3:2. Пізніше крива дрейфа фази була проміряна настільки точно, що вдалося визначити гравітаційний вплив планет один на одного і визначити точні маси: 3,9, 4,3 і 0,02 маси Землі.

Рис, 3. Дрейф фази (часу прибуття імпульсів) PSR1257 + 12. Трикутники — значення, вимірені Вольщаном. Крива — результат підгонки орбітальним рухом з двома планетами. Джерело: [4]

Планетам були присвоєні імена з міфологічних ужастиків: Драугр (оживший мертвець, др.-ісл.), Фобетор (страшило, др.-греч.) і Полтергейст (стукаючий дух, ньому.). Дійсно, при спробі уявити собі умови на цих планетах волосся стає дибки. Але якщо серйозно, то саме їхнє існування загадкове: при вибуху наднової, неминуче супроводжуючої утворення нейтронної зірки, планетні системи руйнуються — планети або випаровуються, або викидаються в міжзоряний простір. Ці планети мали утворитися вже після вибуху наднової.

Олександр Вольщан. Фото з «Вікіпедії»

Зараз найбільш правдоподібний сценарій освіти цієї «жахливої» планетної системи виглядає наступним чином. Пульсар утворився в результаті злиття двох білих карликів. Моделювання показує, що в результаті такого злиття, крім нейтронної зірки, має утворитися масивне кільце з викинутої речовини. Потім з цього кільця і утворилася планетна система. Пізніше знайшли й інші планетні системи у пульсарів, але там планети були набагато більш масивними або більш далекими.

Олександр Вольщан не отримав Нобелівської премії, хоча опинився в сантиметрі від неї. Це були перші твердо встановлені планети поза Сонячної системи — екзопланети; правда, «неправильні» планети у «неправильної» зірки. Половина Нобелівської премії 2019 року з фізики була присуджена Майору і Кело за більш пізнє відкриття екзопланети. І там була «неправильна» планета — гарячий юпітер, зате у «правильної» зірки типу Сонця. Я думаю, якби та премія цілком була вручена за відкриття екзопланет і третім лауреатом виявився Вольщан, лідер в дослідженні PSR1257 + 12, то значна частина наукової громадськості сприйняла б такий результат з великим розумінням.

Автор вдячний Леоніду Гурвіцу за корисні уточнення та додавання.

Література1

. Hulse R. A., Taylor J. H. Discovery of a pulsar in a binary system // Astrophysical Journal. 1975. Vol. 195. P. L51–L53.

2. Вілл К. М. Подвійний пульсар, гравітаційні хвилі та Нобелівська премія//УФН. 1994. Вип. 164. С. 765-773.3.

Wolszczan A., Frail D. A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12 // Nature. 1992. 355. P. 145–147.4.

Malhotra R. Three-body effects in the PSR1257+12 planetary system // Astrophysical Journal. 1993. Vol. 407. P. 266–275.