Эйнштейн устоял перед белым карликом

Ученые проверили Общую теорию относительности в условиях сверхсильной гравитации

Художественное изображение системы из радиопульсара и белого карлика

Фотография: ESO/L. Calзada

Астрономы решили проверить применимость Общей теории относительности Эйнштейна в одном из самых экзотичных уголков Вселенной. В условиях экстремальной гравитации столетняя теория устояла.

Астрономам удалось проверить применимость Общей теории относительности Эйнштейна в таких экстремальных условиях, которых на Земле не создать, да и во Вселенной отыскать непросто. Такой лабораторией для них стал весьма экзотический объект — двойная система, состоящая из массивной нейтронной звезды и бешено вращающегося вокруг нее белого карлика.

Нейтронная звезда PSR J0348+0432 является остатком от взрыва сверхновой. Она вдвое тяжелее Солнца, хотя имеет в поперечнике всего 20 километров.

Сила тяжести на ее поверхности более чем в 300 миллиардов раз превышает силу земного притяжения, а вещество в ее центре сжато до такой плотности, что кубик объемом с кусочек сахара весит больше миллиарда тонн.

Ее компаньон белый карлик — это тускло светящийся остаток гораздо более легкой звезды, которая в прошлом сбросила атмосферу и медленно остывает.

Применимость Общей теории относительности уже неоднократно проверялась за пределами Земли, однако, работает ли она в условиях сверхсильной гравитации, таких, которые присутствуют в окрестностях массивных нейтронных звезд, оставалось загадкой. В настоящий момент теоретиками разработано несколько альтернативных теорий гравитации, отличия предсказаний которых от ОТО могли бы проявиться лишь в крайне сильных гравитационных полях.

Именно поэтому международная группа ученых под руководством Джона Антониадиса из Института радиоастрономии имени Макса Планка в Бонне для проверки ОТО выбрала уникальную систему PSR J0348+0432 . Нейтронная звезда в центре этой пары является радиопульсаром: благодаря своей намагниченности она посылает в пространство строго периодические радиосигналы, которые на Земле фиксируют при помощи радиотелескопов. Согласно предсказаниям Общей теории относительности, такая массивная и тесная система, излучая гравитационные волны, обязана постепенно терять энергию: белый карлик должен приближаться к нейтронной звезде и вращаться все быстрее.

Эти эволюционные изменения и предсказываются по-разному Общей теорией относительности и конкурирующими теориями гравитации.

Наблюдения, проведенные на нескольких наземных радиотелескопах, выявили замедление пары, и Общая теория относительности устояла. «Наши радионаблюдения были столь точными, что мы смогли измерить замедление орбитального периода в 8 миллионных секунды в год, точь-в-точь, как предсказывает теория Эйнштейна», — пояснил Пауло Фрейре, один из соавторов работы, опубликованной в журнале Science.

О подробностях своего участия в проверке предсказаний Эйнштейна «Газете.Ru» рассказал непосредственный участник этой работы, научный сотрудник Института радиоастрономии в Нидерландах Владислав Кондратьев.

— Как бы вы сформулировали главный вывод данной статьи? Он заключается в том, что многочисленные исследования на разных телескопах позволили измерить изменение орбитального периода (а там точность — миллионные доли секунды) и полученная величина с точностью совпала с предсказаниями ОТО? То есть очередное «Эйшнтейн был прав»?

— Да, все верно. Сначала стоит отметить, что масса пульсара составляет около двух масс Солнца. Такие массивные нейтронные звезды позволяют еще более ограничить набор возможных уравнений состояния нейтронной звезды (зависимость массы от радиуса), то есть приблизиться к пониманию того, как ведет себя нейтронная материя в недрах звезды.

Пока это лишь вторая массивная (с массой около двух масс Солнца) нейтронная звезда с очень точно определенной массой (точность — 2%). Но главное, конечно, в том, что в отличие от других двойных систем с пульсаром наша двойная система является очень компактной. Это делает систему релятивистской, в которой эффекты ОТО или других, альтернативных теорий должны проявляться гораздо сильнее. И полученные измерения сокращения орбитального периода за счет излучения гравитационных волн в этом сильном гравитационном поле показали, что ОТО верна в пределах ошибок.

— В чем заключалось ваше участие в данной работе?

— Я был непосредственно вовлечен в обзор неба с целью поиска пульсаров на радиотелескопе в Грин-Бэнке в 2007 году, проводя наблюдения и делая последующую обработку данных вместе с другими моими коллегами. В этом обзоре (GBT 350 MHz Drift-Scan survey) мы нашли 31 новый пульсар, из них 7 миллисекундных, и результаты были опубликованы в конце прошлого года в двух работах. Одним из таких миллисекундных пульсаров и оказался J0348, двойная система с пульсаром и маломассивным белым карликом. В последующих регулярных наблюдениях для радио тайминга и оптических наблюдениях с VLT и Apache я не участвовал, но, естественно, вместе с другими коллегами обсуждал полученные результаты, готовя публикацию.

— Вы являетесь членом проекта ASTRON. Можете рассказать о нем подробнее?

— ASTRON — это официальное название Института радиоастрономии в Голландии (Netherlands Institute for Radio Astronomy, ASTRON, www.astron.nl). С 2009 года я там работаю научным сотрудником в астрономической группе, занимаясь исследованием пульсаров. Свое название ASTRON получил в конце 80-х, а до этого назывался SRZM и изначально непосредственно занимался проектированием и управлением телескопами. ASTRON и сейчас является одним из лидеров в разработке и конструировании новых инструментов для астрономии. До недавнего времени (10—15 лет назад) астрономов непосредственно в штате было немного, но с развитием проекта LOFAR (Low-Frequency Array) астрономическая группа существенно выросла (порядка 30 человек — штат, научные сотрудники, студенты). Телескопы WSRT и LOFAR находятся в управлении ASTRON.

— Как вы можете сравнить условия для занятий наукой в России и в Нидерландах?

— Объективно я не могу сравнивать ситуацию в Голландии с нынешней ситуацией в России, поскольку не работаю в России несколько лет, хотя, конечно, связь поддерживаю, но не знаю текущую ситуацию изнутри. Но, опираясь на прошлый опыт, соответствие зарплат студентов, аспирантов, научных сотрудников нормальному уровню жизни считаю очень важным. При прочих равных в материальном смысле если наука интересна, то больше вероятность, что студент пойдет в аспирантуру. Второй важный момент, который, возможно, в какой-то мере связан с первым, это то, что наука в России (говоря «наука», имею в виду астрономию и более конкретно радиоастрономию, не знаю хорошо ситуацию в других областях) крутится во многом в своем соку. Широкого сотрудничества с другими группами в мире мало, присутствие на конференциях малочисленно. Даже в случае, когда есть обоюдное желание взять иностранца на работу, скажем, в качестве постдока, то это по факту оказывается невозможно из-за бумажной бюрократии.