Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

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.

Эти три проекта продолжались более десяти лет, но до сих пор ни одно из сообществ не обнаружило гравитационные волны. Тем не менее хронометрирование пульсаров регулярно преподносит сюрпризы. Однажды в 2012 году Райан Линч, в то время постдок в Университете Макгилла, просматривал данные наблюдений пульсаров, которые GBT проводил в течение десяти лет. Он наткнулся на миллисекундный пульсар, который теперь называется MSP J0740 + 6620, и после нескольких месяцев наблюдения понял, что это невероятно точные часы. Вместе с группой коллег, среди которых был Скотт Рэнсом, Линч начал его хронометрирование с помощью обсерватории NANOGrav. Вскоре Линч заметил, что у пульсара может быть звезда-компаньон, и учет этого позволил постдоку Эммануэлю Фонсека и аспирантке Санкфул Кромарти определить массу компаньона, а затем и самого пульсара. Кромарти руководила этими исследованиями, в результате которых выяснилось, что этот пульсар был самой массивной нейтронной звездой из всех когда-либо обнаруженных – с колоссальной массой, равной 2,14 массы Солнца13.

Но гравитационных волн пока не обнаружено. Астрономы до сих пор не знают, существуют ли сверхмассивные черные дыры, которые действительно подходят близко друг к другу и готовы слиться. Хотя они и обнаружили галактики с двумя активными галактическими ядрами, что свидетельствует о том, что эти две галактики слились и их черные дыры начинают, вальсируя, сближаться. “На их слияние уйдут миллионы лет, может быть, даже сотни миллионов лет, – говорит Рэнсом. – К счастью, во всей Вселенной всегда есть сливающиеся друг с другом галактики”.

Однако ученые не собираются сдаваться – за последнее десятилетие они узнали намного больше о том, как галактики сталкиваются. Они также добились большого прогресса в разработке моделей и методов расчета, которые позволяют лучше очистить данные от шума и влияния межзвездной среды. Все эти шаги помогают ученым лучше понимать и описывать движение Солнечной системы. По оценкам Рэнсома, в течение этого десятилетия астрономы наконец обнаружат гравитационные волны, испускаемые сверхмассивными черными дырами, используя хронометрирование пульсаров.

Первой целью хронометрирования массивов пульсаров является регистрация фона гравитационных волн, возникавших на протяжении эволюции Вселенной при слияниях сверхмассивных черных дыр. Это непростая задача: представьте, что вы находитесь в переполненной комнате, где все разговаривают. Попытка обнаружить определенную гравитационную волну похожа на попытку подслушать конкретный разговор в этой комнате. При сильном фоновом шуме все, что вы можете услышать, – это гул. И подобный гул – это именно то, что ученые пытаются отследить с помощью антенных систем для