Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдения двойных пульсаров: прецессия периастра и потери энергии на гравитационное излучение

Двойной пульсар — система из двух нейтронных звезд, обращающаяся относительно центра масс. Составляющие ее нейтронные звезды — пульсары — это быстро вращающиеся вокруг своей оси крайне плотные звезды, напряженность магнитного поля на поверхности которых достигает гигантских величин:

Период вращения пульсаров составляет

При таком огромном магнитном поле вращение пульсара приводит к периодическому изменению напряженности этого поля со временем. Это, как известно, наводит в пространстве около звезды переменное электрическое поле, и в результате пульсар излучает электромагнитные волны. Благодаря сверхсильным полям и достаточно быстрому осевому вращению излучение происходит в два конуса очень малого угла раствора, вращающиеся вместе с пульсаром. На рисунке ниже изображена схема пульсара, вращающегося относительно вертикальной оси, вместе с линиями его магнитного поля и конусами излучения (отмечены голубым).

Когда конусы излучения вращаясь пересекают Землю, астрономы наблюдают сигнал излучения радиочастотного диапазона. Таким образом, с точки зрения наблюдателя на Земле пульсар излучает периодические импульсы радиоизлучения — именно поэтому для него был выбран такой термин.

В излучение переходит энергия вращения пульсара — поэтому последнее постепенно замедляется. Это замедление, тем не менее, очень медленное,

С другой стороны, в 1974 году Расселом Аланом Халсом (род. 1950) и Джозефом Хотоном Тейлором (род. 1941) на расстоянии около 23000 световых лет от Земли была открыта двойная система PSR B1913+16 с уменьшающимся периодом орбитального движения:

Данная система состояла из нейтронной звезды и пульсара с примерно одинаковыми массами около предела Чандрасекхара (1.4 солнечной массы), обращающихся вокруг центра масс за время порядка 8 часов. Нейтронная звезда, двигаясь по эллиптической орбите со средней скоростью около 200км/с, испытывает большие ускорения и должна излучать гравитационные волны, уносящие часть ее кинетической энергии. В данном случае излучение волн действует на звезду как сила трения — при этом даже используется термин «радиационное трение». Замедление движения звезды сказывается на больших осях орбиты, а также на периоде обращения двойной системы. Изменение же скорости обращения мгновенно регистрируется благодаря релятивистским эффектам и эффекту Доплера: происходит сдвиг частоты радиоимпульсов, исходящих от пульсара, а, кроме того, изменяется промежуток времени между ближайшими импульсами. Последнее происходит благодаря релятивистскому замедлению времени, зависящему от скорости звезды и гравитационного потенциала в точке излучения.

Наблюдающееся по релятивистскому замедлению времени уменьшение периода обращения великолепно согласуется с предсказаниями общей теории относительности:

Строго говоря, открытая система не является двойным пульсаром, т.к. только одна из двух составляющих ее звезд испускает радиочастотные импульсы. Первый истинный двойной пульсар PSR J0737-3039 был открыт только в 2003 году. Последняя система является настоящим кладом для астрофизиков, изучающих эффекты общей теории относительности. В ней наблюдаются почти все эффекты этой теории:

  1. прецессия периастра (аналог прецессии перигелия Меркурия) в 17 градусов за год,
  2. потеря энергии и увеличение орбитального периода за счет излучения гравитационных волн,
  3. дополнительное увеличение периода обращения на 0.38 мкс в год за счет замедления времени в гравитационном поле (см. Наблюдение замедление времени в гравитационном поле),
  4. запаздывание электромагнитного импульса от одной звезды в результате непрямолинейного его распространения у поверхности второй (запаздывание до 90 миллисекунд — так называемый эффект Шапиро),
  5. аномальная прецессия оси собственного вращения пульсара в гравитационном поле его соседа (см. Геодезическая прецессия). Величина прецессии — примерно 5 градусов в год.

За открытие и исследование системы, состоящей из нейтронной звезды и пульсара, приведшие к подтверждению предсказаний теории относительности, Рассел Халс и Джозеф Тейлор были удостоены Нобелевской премии 1995 года. Ныне же исследования подобных систем, в частности, двойных пульсаров, идут бурными темпами, поскольку позволяет проверить теорию относительности и квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени в режиме сильного гравитационного поля.

<<К предыдущему эксперименту  |  Общая теория относительности  |  К следующему эксперименту>>