На гребне гравитационной волны

Получены самые веские на сегодняшний день доказательства существования гравитационных волн. Таким образом, выполнена еще одна проверка общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) предсказывает, что движущиеся объекты создают тонкую "рябь" на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами. Ввиду чрезвычайной малости этой "ряби", непосредственное наблюдение гравитационных волн сильно затруднено, поэтому напрямую они пока не зарегистрированы, хотя ищут их с конца 1960-х. Согласно ОТО, оптимальными объектами для обнаружения гравитационных волн являются двойные звёзды, компоненты которых при движении вокруг общего центра масс теряют энергию за счёт излучения гравитационных волн.

Потеря энергии приводит к тому, что звезды сближаются друг с другом, вращаются вокруг общего центра масс все быстрее и быстрее и в конечном итоге сливаются.

Темпы сближения звезд в тесных двойных системах, предсказанные ОТО, совпадают с теми, которые наблюдают астрономы в различных двойных звездных системах. Такое совпадение является весомым косвенным доказательством существования гравитационных волн.

За первое косвенное свидетельство наличия "ряби" в ткани пространства-времени в 1993 году американским астрономам Расселу Халсу и Джозефу Тейлору-младшему была присуждена Нобелевская премия по физике. Тогда открытие было сделано при изучении радиосигналов, приходящих от двойной системы пульсар – нейтронная звезда.

Они изучали затмения, происходящие в системе пары белых карликов – звезд типа нашего Солнца, находящихся на конечной стадии своей эволюции.

Команда астрономов обнаружила эту удивительную пару белых карликов в прошлом году, их суммарная масса меньше, чем масса нашего Солнца: у одной звезды она составляет половину солнечной, а у другой – четверть. Система, названная SDSS J065133.338 284423,37 (для краткости – J0651), уникальна тем, что ее компоненты расположены очень близко друг к другу. Расстояние между звездами составляет всего треть расстояния между Землей и Луной, поэтому они делают полный оборот вокруг общего центра масс менее чем за 13 минут.

До недавнего времени астрономы знали всего 4 двойные системы с орбитальными периодами, не превышающими 15 минут, и во всех этих системах происходит передача массы от одной звезды к другой. Такой обмен массой затрудняет наблюдения за изменением орбитального периода звездной системы и интерпретацию этих изменений с точки зрения гравитационных волн.

В системе J0651 ничего подобного не происходит. Именно поэтому, как отмечает член команды Уоррен Браун из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полученный американскими учеными результат является на сегодняшний день одним из самых веских аргументов в пользу существования гравитационных волн.

При движении по орбите компоненты системы J0651 затмевают друг друга, и это наблюдается с Земли. Такие затмения происходят каждые 6 минут. Согласно теории Эйнштейна, при сближении звезд вследствие излучения гравитационных волн интервал времени между затмениями должен сокращаться, а орбитальный период этой двойной системы – уменьшаться.

Команда американских ученых оказалась в состоянии обнаружить этот эффект в J0651. Член команды Мукремин Килич из университета Оклахомы говорит, что по сравнению с апрелем 2011 года, когда были проведены первые наблюдения этого объекта, интервал между затмениями уменьшился на 6 сек. Этот факт является неоспоримым свидетельством того, что 2 звезды становятся ближе друг к другу и что орбитальный период системы сокращается в соответствии с ОТО.

Команда американских астрономов надеется, что период обращения двойной системы будет сокращаться с каждым годом всё больше и больше. К апрелю 2013 г. интервал между затмениями, предположительно, уменьшится на 20 секунд, а через 2 млн лет звезды сольются.

Дальнейшие наблюдения и измерения орбитального периода этой системы помогут понять механизм слияния таких звезд. Наблюдения (более 200 часов) проводились на нескольких телескопах, самый большой из которых (10,4 м) расположен на Канарских островах в Испании, а самый маленький (2,1 м) и старый – телескоп Отто Струве обсерватории Макдональда. Отметим, что телескоп, который использован в данной работе, вступил в строй в конце 1930 годов и назван в честь российского астронома Отто Яковлевича Струве, который в разгар гражданской войны эмигрировал из России в США.

"Эти компактные звезды вращаются друг вокруг друга так близко, что мы смогли наблюдать обычно незначительное влияние гравитационных волн с помощью относительно простой камеры на 75-летнем телескопе всего за 13 месяцев", – отметил ведущий автор исследования Джей Джей Гермес.

Для прямого обнаружения гравитационных волн требуется проведение дорогостоящих программ. Например, их можно было бы обнаружить при помощи спутников, расположенных на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга и обстреливающих друг друга из лазерных пушек. Над проектом такого интерферометра (LISA – Laser Interferometer Space Antenna – Лазерная интерферометрическая космическая антенна) совместно работали NASA и ESA (Европейское космическое агентство), однако из-за финансовых проблем он отложен на неопределенный срок. "Зато у нас есть более простой способ обнаружить эффект гравитационных волн, хотя и косвенно", – говорит один из авторов статьи, Карлос Альенде Прието из Института астрофизики Канарских островов.

Наблюдения системы J0651 вносят важный вклад в наше понимание того, как работает гравитация. "Это так захватывающе – подтвердить предсказания Эйнштейна, сделанные почти 100 лет назад, наблюдая за 2-мя звездами, которые покачиваются на волне, созданной их собственными массами", – сказал Гермес.