Кропотливые измерения пульсара на протяжении 14 лет подтвердили теорию относительности

127

После 14 лет наблюдения за мертвой звездой, астрономы в очередной раз подтвердили теорию относительности Эйнштейна. Объект под названием PSR J1906 + 0746 – пульсар на расстоянии 25 000 световых лет от Земли. Он слегка колеблется при вращении – эффект, который может привести к тому, что его импульсы исчезнут с нашего неба менее чем за десятилетие, передает Science Alert.

В астрономии это называется прецессией – явлением, предсказываемым общей теорией относительности и наблюдаемым только у очень немногих пульсаров. Новые результаты могут помочь ученым установить приблизительное количество двойных пульсаров в галактике, что, в свою очередь, позволит определить вероятность столкновений двойных нейтронных звезд.

Пульсары, пожалуй, самые полезные звезды на небе. Это быстро вращающиеся нейтронные звезды со струями ярких радиоволн, излучаемых из их магнитных полюсов. По мере вращения эти лучи могут проноситься мимо Земли в зависимости от ориентации звезды (немного напоминает маяк).

Данные вращения невероятно точны: их можно прогнозировать с точностью до миллисекунд. Свойство так называемых миллисекундных пульсаров, способных продолжительное время сохранять точность, сегодня рассматривается как инструмент будущей космической навигации.

Но даже большинство пульсаров – тех, которые не имеют высокого уровня точности вращений – также полезны, особенно для испытаний корректности общей теории относительности. Согласно её положениям, пульсары в бинарных системах должны иметь небольшое осевое колебание (представьте замедляющийся крутящийся волчок (юлу)). Это явление называется осевой прецессией.

Поскольку нейтронные звезды очень плотные – в 1,4 раза больше массы Солнца и ограничены ядром звезды диаметром всего 20 километров (12 миль) – ожидается, что их гравитационная интенсивность искажает пространство-время.

Если ориентация вращения не совпадает с ориентацией двойной орбиты, это должно привести к вращению пульсара в осевую прецессию. Считается, что такое смещение может быть вызвано асимметричным взрывом сверхновой. Таким образом, поскольку пульсар колеблется на своей оси, мы имеем возможность обнаружить изменения в его импульсном профиле.

Когда PSR J1906 + 0746 был обнаружен в 2004 году, он показал два разных закрученных или поляризованных излучения (луча) на вращение. Однако, когда команда астрономов во главе с Грегори Десвинем из Института радиоастрономии им. Макса Планка изучила архивные данные, собранные радиотелескопом Обсерватории Паркс, они обнаружили только один луч.

Чтобы выяснить, что происходило с пульсаром, между 2005 и 2009 годами с использованием радиотелескопов Nançay и Arecibo, и между 2012 и 2018 годами с использованием Arecibo, команда провела мониторинг PSR J1906 + 0746.

Когда они начали наблюдать за звездой в 2005 году, то увидели оба луча на вращение, которые были зафиксированы в 2004 году. Постепенно луч от северного полюса звезды стал слабее. К 2016 году он полностью исчез.

Команда предсказала, что данные поляризации содержали информацию о прецессии пульсара. Они смоделировали эти данные, расширив их во времени на 50 лет, а затем сравнили их с данными наблюдений за звездой.

Полученные модели соответствовали уровню достоверности 95%, идеально согласуясь с прогнозами общей теории относительности, а также прогнозами о поляризационных свойствах пульсаров, опубликованных 50 лет назад Венкатраманом Радхакришнаном и Дэвидом Куком.

Команда также поняла, что линия видимости Земли пересекла магнитный полюс пульсара в направлении с севера на юг. Это означает, что ученые могут нанести на карту луч пульсара и определить долю неба, освещаемого лучом.

Это помогает оценить число двойных нейтронных звезд в галактике и количество столкновений между ними, создающих гравитационные волны.

Полученная учеными математическая модель прецессии пульсара не просто работала. Она позволила сделать прогноз, что южный луч также исчезнет из поля зрения землян, где-то около 2028 года, а появиться назад – между 2070 и 2090 годами; северный луч – между 2085 и 2105 годами.

Как сказала астроном Ингрид Лестир из Университета Британской Колумбии, еще одна ценность пульсаров для науки состоит в том, что они могут обеспечить тесты силы тяжести, которые нельзя сделать никаким другим способом. Потому их обнаружение и исследование свойств является таким важным для ученых.

Подробные результаты исследования были опубликованы в журнале Science.