Пульсар — это нейтронная звезда, обладающая сильным магнитным полем и испускающая пучки электромагнитного излучения, направленные вдоль магнитных полюсов. При быстром вращении такие пучки периодически пересекают направление на Землю, создавая характерный импульсный радиосигнал. Если такая нейтронная звезда входит в тесную двойную систему с другой звездой — в том числе с другим пульсаром, — она называется двойным пульсаром.
Наиболее интересными с точки зрения гравитационной физики являются системы двух компактных объектов, особенно если оба являются пульсарами или один из них — белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Эти системы служат естественными лабораториями для проверки теорий гравитации, в особенности общей теории относительности (ОТО).
Динамика двойных пульсаров описывается уравнениями движения, выводимыми из ОТО с учетом постньютоновских поправок. Для тесной двойной системы основной вклад в отклонение от ньютоновской динамики дают следующие эффекты:
Особенно важным является тот факт, что в таких системах можно измерить с высокой точностью не только орбитальные параметры, но и изменения этих параметров с течением времени, что дает доступ к наблюдаемым эффектам гравитационной природы.
Система PSR B1913+16, открытая Халсом и Тейлором в 1974 году, представляет собой один из важнейших эмпирических аргументов в пользу существования гравитационных волн.
Период обращения этой системы составляет приблизительно 7.75 часов, и оба компонента — нейтронные звезды с массами около 1.4 солнечной. Радионаблюдения позволили с высокой точностью отслеживать изменение орбитального периода. Согласно ОТО, за счёт излучения гравитационных волн происходит потеря энергии системы, что приводит к медленному уменьшению полуоси орбиты и орбитального периода.
Расчётный темп уменьшения орбитального периода на основе теории гравитационного излучения в ОТО оказался в поразительном соответствии с наблюдаемым значением:
$$ \left( \frac{dP_b}{dt} \right)_{\text{набл}} \approx \left( \frac{dP_b}{dt} \right)_{\text{ОТО}} $$
где Pb — орбитальный период. Это согласие стало первым косвенным подтверждением существования гравитационного излучения и было удостоено Нобелевской премии в 1993 году.
По ОТО, гравитационные волны испускаются ускоряющимися массами при наличии квадрупольного момента. Моно- и дипольное гравитационное излучение запрещено симметриями теории. Для двойной системы можно вычислить излучаемую мощность в форме формулы Питерса—Маттьюса:
$$ \frac{dE}{dt} = -\frac{32}{5} \frac{G^4}{c^5} \frac{(m_1 m_2)^2 (m_1 + m_2)}{a^5 (1 - e^2)^{7/2}} \left( 1 + \frac{73}{24}e^2 + \frac{37}{96}e^4 \right) $$
где:
Эта формула определяет скорость потери энергии системы за счёт гравитационного излучения. Последствия этого излучения включают ускоренное сближение компонентов системы и, в конечном счёте, их возможное слияние.
Излучение гравитационных волн влияет на наблюдаемую динамику двойных пульсаров множеством способов:
Таким образом, двойные пульсары предоставляют возможность измерить пять и более независимых параметров орбиты и спина, что позволяет тестировать различные аспекты ОТО и альтернативных теорий гравитации.
По мере уменьшения орбитальной дистанции за счёт излучения гравитационных волн двойные нейтронные звёзды приближаются друг к другу, в конце концов вступая в фазу катастрофического слияния. Именно такие события впервые были зарегистрированы с помощью наземных интерферометров LIGO и Virgo.
Примером является событие GW170817 — первое наблюдение слияния двух нейтронных звёзд, подтверждённое как в гравитационно-волновом, так и в электромагнитном диапазоне (гамма-всплеск, оптическое послесвечение и др.). Эти наблюдения продемонстрировали, что:
Двойные пульсары остаются объектом пристального внимания как в наблюдательной, так и в теоретической гравитационной физике. Среди актуальных направлений исследований:
Таким образом, двойные пульсары представляют собой уникальные объекты, в которых объединяются квантовая астрофизика, теория относительности и наблюдательная радиоастрономия. Они предоставляют доступ к фундаментальным свойствам пространства-времени и продолжают служить ключевым инструментом в изучении гравитационных волн.