Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Основная проблема – шум от Земли, который просто замазывает волны более низких частот. Шум может быть вызван чем угодно, от незначительных землетрясений в любой точке мира до океанских приливов и даже проезжающих мимо грузовиков. “Пара периодов в секунду – это, по сути, предел самых низких частот, которые может видеть LIGO, потому что ниже этого значения все просто забьет земной шум и сейсмическая активность, – говорит Рэнсом. – Они просто подавят все остальное”. Однако в космосе можно оптимизировать систему так, что она останется стабильной на больших временных интервалах.

И тут нам на помощь приходят пульсары. Хотя нейтронные звезды, когда они начинают двигаться по спирали навстречу друг другу, а затем сталкиваются, сами по себе служат источниками гравитационных волн, их также можно использовать в качестве детекторов гравитационных волн галактического размера – по крайней мере, на это можно надеяться. Исследователи оптимистично считают, что в течение следующего десятилетия, используя методику хронометрирования пульсаров, они наконец обнаружат гравитационные волны от слияния двух сверхмассивных черных дыр.

В 1969 и 1970 годах Джо Вебер – инженер-электрик, ставший позже физиком, – объявил миру, что его бочкообразные алюминиевые цилиндры зарегистрировали гравитационные волны. К сожалению, он ошибся.

В тот момент до первых обсуждений идеи о создании LIGO оставалось еще десять лет. Однако уже тогда два астрофизика – советский ученый Михаил Сажин и американский ученый Стивен Детвейлер – размышляли, нельзя ли использовать сам космос, чтобы зарегистрировать рябь на ткани пространства-времени. С разницей в несколько месяцев, в 1978 и 1979 годах, они опубликовали статьи, в которых предполагалось, что хронометрирование импульсов от нейтронных звезд может позволить астрономам наблюдать гравитационные волны. Согласно их теории, для того чтобы идея сработала, нужно представить себе Солнечную систему центром научного прибора (подобным точке пересечения двух плеч LIGO), а какой-нибудь далекий пульсар – концом одного виртуального плеча, протянувшегося через межзвездное пространство. Пульсар излучает регулярные импульсы и в этом смысле является чрезвычайно точными часами. В случае же прохождения гравитационной волны и, следовательно, возмущения локального пространства-времени импульсы от пульсара будут приходить раньше или позже по сравнению с тем, что наблюдали астрономы в отсутствие волн.

Два других теоретика, Рональд Хеллингс и Габриэль Даунс, позже развили эту идею, распространив ее на массив, или группу, пульсаров. Ученые должны были бы регулярно регистрировать в течение нескольких лет точное время прихода импульсов от нескольких пульсаров, разбросанных по небу, чтобы точно знать, сколько раз пульсар прокрутится между наблюдениями. Они должны были бы искать не только любые крошечные изменения во времени прихода импульсов, но и коррелированные (взаимосвязанные) задержки между импульсами, приходящими от нейтронных звезд, находящихся на расстоянии тысяч световых лет друг от друга, которые указывали бы на явные признаки гравитационных волн.

Чисто теоретическая концепция стала более реалистичной идеей в 1982 году, когда Дон Бейкер открыл первый миллисекундный пульсар. В отличие от типичных пульсаров, вроде тех, что обнаружила Джоселин Белл, то есть вращающихся со скоростью примерно один оборот в секунду, миллисекундные пульсары вращаются со скоростью сотни оборотов в секунду. Бейкер понял, что это свойство миллисекундных пульсаров позволит измерять их частоту гораздо точнее, вплоть до нескольких десятых наносекунды, и эта точность прихода импульсов могла бы сделать их в будущем гораздо более подходящим инструментом для обнаружения гравитационных волн.

Так что же такое хронометрирование массива пульсаров?

Мы впервые вкратце обсудили хронометрирование пульсаров в подразделе “Чуть глубже” главы 2. Предположим, у нас есть группа из пятидесяти различных пульсаров, находившихся более десяти лет под пристальным наблюдением астрономов, и за этот десятилетний период, за который произошло очень большое количество полных оборотов, приход каждого импульса был измерен с точностью не меньше одной тысячной оборота. Например, если пульсар вращается со скоростью пятьсот оборотов в секунду, за десять лет он совершит около 160 миллиардов оборотов. Именно из-за такого огромного количества очень точных измерений эта методика имеет такую невероятную точность и надежность. И если внезапно импульсы от каких-то пульсаров приходят раньше, затем позже, а потом снова раньше по сравнению с их ожидаемым временем прихода, самая вероятная причина сбоя в том, что детектор что-то встряхнуло. Но если невозможно объяснить эти вариации времени прихода каким-либо событием, произошедшим по соседству с детектором (например, землетрясением или громыхающим грузовиком), то это может быть рябь от гравитационной волны, накрывшей Землю. И если бы эти сдвиги сначала в сторону опережения, а потом запаздывания наблюдались на последовательностях импульсов от всех пульсаров, причем еще и подчинялись бы определенному графику, рассчитанному Хеллингсом и Даунсом, это стало бы визитной карточкой гравитационных волн, сжимающих и растягивающих пространство между Землей и пульсарами вдоль пути следования импульсов.

В некотором смысле это очень похоже на работу интерферометров LIGO и Virgo, а Земля и пульсары эквивалентны тестовым массам в концах каждого плеча детектора. С той только разницей, что для пульсаров необходимо собирать данные многие годы, из-за того что в этом случае длина волны гравитационных волн очень велика.

Бейкер хотел сделать именно это. В начале 2000-х годов совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, а также с астрономами Дэвидом Найсом из колледжа Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания, и Ингрид Стэйрс из Университета Британской Колумбии он начал хронометрирование группы миллисекундных пульсаров с большой точностью с помощью телескопов Arecibo и GBT.

Для анализа данных они применяли метод Хеллингса – Даунса. Их цель состояла в том, чтобы обнаружить гравитационные волны или, по крайней мере, наложить ограничения на их параметры, установив окно для измерений, в котором, как они полагали, когда-нибудь можно будет обнаружить гравитационную волну. “Потихоньку пятеро ученых образовали небольшую группу и начали хронометрирование пульсаров. На этом этапе они не прилагали огромных усилий”, – говорит Рэнсом.

Но об этом проекте узнали, и им заинтересовались другие астрономы. В частности, Дику Манчестеру, живущему в Австралии, эта идея настолько понравилась, что он подал заявку – ив 2003 году получил большой грант от правительства на то, чтобы начать применять эту методику в больших масштабах. В результате, говорит Рэнсом, ему выделили “достаточно времени для работы на телескопе Parkes и деньги на приглашение постдоков. По сути, он создал антенную систему Паркса для хронометрирования пульсаров (РРТА, Pulsar Parkes Timing Array)”. Манчестер надеялся, что через пять лет эта антенная система сможет зарегистрировать гравитационные волны. Эти оптимистические короткие сроки побудили других астрономов по всему миру серьезно отнестись к задаче использования хронометрирования пульсаров для обнаружения гравитационных волн.

Примерно в то же время к ним присоединились европейские астрономы, объединив радиотелескопы Westerbork Synthesis Radio Telescope, Effelsberg Radio Telescope, Nanpay Radio Telescope и Sardinia Radio Telescope с телескопом Lovell в Европейскую антенную систему хронометрирования пульсаров. В Соединенных Штатах Рэнсом тоже был охвачен азартом. “Мы знали, что у нас есть два лучших радиотелескопа в мире: Arecibo и GBT”, – говорит он. И с десятком других американских астрономов, специалистов по пульсарам, они устроили совещание. “Мы пригласили Дона Бейкера и его небольшую группу и сказали: «Вот вы, ребята, делаете этот небольшой проект. А австралийцы работают над этой задачей в полную силу в рамках огромного проекта. Давайте сделаем правильный шаг, мы пришли сюда, чтобы работать с вами»”, – вспоминает Рэнсом. Они согласились сотрудничать, а через несколько лет, получив несколько грантов, в 2009 году создали NANOGrav (Североамериканскую наногерцевую обсерваторию гравитационных волн). Эта североамериканская антенная система хронометрирования пульсаров в настоящее время занимается изучением более семидесяти пульсаров12.