В замедлении пульсара заподозрили гравитационные волны

Астрофизики из Астрономического центра Николая Коперника и Лейденской обсерватории предложили новый механизм замедления вращения необычной нейтронной звезды, важная роль в котором отводится гравитационным волнам. Пульсар J1023+0038 время от времени меняет свое характерное излучение, то излучая больше в радиодиапазоне, то превращаясь в рентгеновский источник. В последнем случае он замедляет свое вращение на 30 процентов быстрее, чем в первом. По словам ученых, всему виной могут быть «горы» на поверхности звезды, нарушающие симметрию гравитационного поля объекта — они и рассеивают энергию вращения в виде гравитационных волн. Препринт исследования опубликован на сайте arXiv.org, работа направлена в журнал Physical Review Letters, но еще не прошла процедуру рецензирования.

Гравитационные волны — волны колебания геометрии пространства-времени, изменяющие расстояния между реальными объектами. Они возникают при движении массивных тел с переменным ускорением. Самый известный пример такого движения — слияние двух черных дыр, движущихся по спиральным орбитам навстречу друг другу, именно такие гравитационные волны были обнаружены в сентябре и декабре 2015 года коллаборациями LIGO и Virgo. 

Это явление было предсказано чуть больше ста лет назад Альбертом Эйнштейном в рамках Общей теории относительности. Однако долгое время реальность гравитационных волн подвергалась сомнениям — даже сам автор предсказания допускал, что они могут быть лишь математическим объектом, не имеющим ничего общего с измеряемыми величинами. Важную роль в признании гравитационных волн сыграл мысленный эксперимент с двумя шариками на трости, предложенный Ричардом Фейнманом. Он продемонстрировал, что гравитационные волны способны производить работу, а значит переносят в себе энергию. Например, это приводит к тому, что двойные системы из массивных звезд, вращающихся друг вокруг друга, постепенно сближаются.

Замедление вращения пульсара J1023+0038 тоже определяется потерей энергии (в данном случае, кинетической). В первую очередь это связано с генерацией ими мощного магнитного поля, рассеивающего энергию. При современной скорости в 592 оборота в секунду пульсар замедляется примерно на 76 оборотов в секунду каждые миллиард лет. Однако при возникновении рентгеновских пульсаций темпы замедления поднимаются до 95 оборотов в миллиард лет.

Авторы новой работы связывают это замедление с генерацией гравитационных волн. Превращение этой нейтронной звезды в источник рентгеновского излучения связано с аккрецией вещества на ее поверхность — объект входит в двойную систему из нейтронной звезды и легковесного компаньона массой в 0,2 солнечной. По предположению исследователей, вещество со звезды-компаньона падает на пульсар, создавая на его поверхности неоднородности — «горы». Они возвышаются не больше чем на несколько миллиметров, но следует учитывать сверхплотный характер нейтронных звезд. Подобные объекты с солнечной массой имеют радиус всего в 10 километров.

Несимметричность пульсара сильно влияет на его гравитационное поле. По словам астрофизиков, именно это и вызывает гравитационные волны, рассеивающие кинетическую энергию системы. Когда аккреция прекращается J1023+0038 снова становится радиоисточником, одновременно с этим исчезает несимметричность объекта и гравитационные волны. 

Ранее необычное поведение пульсара пытались объяснить взаимодействием с аккреционным диском. Однако, как отмечают авторы работы, эти модели не полны, так как плохо объясняют одновременность переключения темпов замедления и смены характера излучения объекта. 

Интересно, что пульсары — важные объекты для прямого поиска гравитационных волн. Один из проектов для детектирования волн — консорциум NANOGrav — основан на том, что периодичность излучения пульсаров выдерживается очень четко. Если неподалеку от пульсара произойдет слияние двух сверхмассивных черных дыр, то это приведет к задержке сигнала пульсара — он попадет на Землю чуть позже ожидаемого. 

Владимир Королёв