Двойные пульсары и излучение гравитационных волн

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 пульсарных систем

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:

  • Прецессия перицентра орбиты вследствие кривизны пространства-времени.
  • Замедление времени при прохождении радиосигнала вблизи массивного компаньона.
  • Затухание орбиты вследствие потерь энергии на гравитационное излучение.

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.


Пример: PSR B1913+16 — первый двойной пульсар

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.


Энергия гравитационного излучения

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:

  • m1, m2 — массы компонентов,
  • a — большая полуось орбиты,
  • e — эксцентриситет орбиты.

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.


Эффекты в наблюдениях

Излучение гравитационных волн влияет на наблюдаемую динамику двойных пульсаров множеством способов:

  • Сокращение орбитального периода (P-dot) — главный измеримый эффект.
  • Изменение времени прихода импульсов (TOA — time of arrival) — измеряется с точностью до микросекунд.
  • Прецессия спина пульсара — вызывает изменение положения пучка, иногда приводя к «исчезновению» пульсара из поля зрения.
  • Эффект Шапиро — проявляется в дополнительном запаздывании сигнала, проходящего вблизи второго тела, и позволяет точно измерять массы компонентов.

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.


Системы с двойными нейтронными звёздами и гравитационные волны

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 действительно испускают гравитационные волны, способные достигать Земли,
  • характеристика сигнала (амплитуда, частота, фазовая эволюция) в полном согласии с предсказаниями ОТО,
  • подобные слияния — возможные источники тяжёлых элементов (через механизм r-процесса),
  • распространяющиеся гравитационные волны движутся со скоростью света, что подтверждает фундаментальный постулат ОТО.

Современные задачи и перспективы

Двойные пульсары остаются объектом пристального внимания как в наблюдательной, так и в теоретической гравитационной физике. Среди актуальных направлений исследований:

  • Обнаружение новых двойных систем, в том числе содержащих черные дыры.
  • Прецизионные измерения орбитальных параметров с целью тестирования альтернатив ОТО.
  • Моделирование процессов слияния с учетом ядерной физики плотного вещества.
  • Изучение асимметрий в излучении гравитационных волн, влияющих на результирующий импульс (кик) новообразованного объекта.
  • Создание глобальных пульсарных тайминговых сетей (PTA — pulsar timing arrays), чувствительных к сверхдлинноволновому гравитационному фону от сверхмассивных чёрных дыр.

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.