У уповільненні пульсара запідозрили гравітаційні хвилі

Астрофізики з Астрономічного центру Миколи Коперника і Лейденської обсерваторії запропонували новий механізм уповільнення обертання незвичайної нейтронної зірки, важлива роль в якому відводиться гравітаційним хвилям. Пульсар J1023 + 0038 час від часу змінює своє характерне випромінювання, то випромінюючи більше в радіодієстоні, то перетворюючись на рентгенівське джерело. В останньому випадку він уповільнює своє обертання на 30 відсотків швидше, ніж у першому. За словами вчених, всьому виною можуть бути «гори» на поверхні зірки, що порушують симетрію гравітаційного поля об'єкта - вони і розсіюють енергію обертання у вигляді гравітаційних хвиль. Препринт дослідження опублікований на сайті arXiv.org, робота спрямована в журнал, але ще не пройшла процедуру рецензування.

Гравітаційні хвилі - хвилі коливання геометрії простору-часу, що змінюють відстані між реальними об'єктами. Вони виникають при русі масивних тіл зі змінним прискоренням. Найвідоміший приклад такого руху - злиття двох чорних дір, що рухаються по спіральних орбітах назустріч один одному, саме такі гравітаційні хвилі були виявлені у вересні і грудні 2015 року колабораціями LIGO і Virgo.

Це явище було передбачене трохи більше ста років тому Альбертом Ейнштейном в рамках Загальної теорії відносності. Однак довгий час реальність гравітаційних хвиль піддавалася сумнівам - навіть сам автор передбачення допускав, що вони можуть бути лише математичним об'єктом, який не має нічого спільного з вимірюваними величинами. Важливу роль у визнанні гравітаційних хвиль зіграв уявний експеримент з двома кульками на тростині, запропонований Річардом Фейнманом. Він продемонстрував, що гравітаційні хвилі здатні виробляти роботу, а значить переносять в собі енергію. Наприклад, це призводить до того, що подвійні системи з масивних зірок, що обертаються один навколо одного, поступово зближуються.

Уповільнення обертання пульсара J1023 + 0038 теж визначається втратою енергії (в даному випадку, кінетичною). Насамперед це пов'язано з генерацією ними потужного магнітного поля, що розсіює енергію. При сучасній швидкості в 592 обороти в секунду пульсар сповільнюється приблизно на 76 оборотів в секунду кожні мільярд років. Однак при виникненні рентгенівських пульсацій темпи уповільнення піднімаються до 95 оборотів в мільярд років.

Автори нової роботи пов'язують це уповільнення з генерацією гравітаційних хвиль. Перетворення цієї нейтронної зірки на джерело рентгенівського випромінювання пов'язане з аккрецією речовини на її поверхню - об'єкт входить у подвійну систему з нейтронної зірки і легковагового компаньйона масою в 0,2 сонячної. За припущенням дослідників, речовина із зірки-компаньйона падає на пульсар, створюючи на його поверхні неоднорідності - «гори». Вони височіють не більше ніж на кілька міліметрів, але слід враховувати надщільний характер нейтронних зірок. Подібні об'єкти з сонячною масою мають радіус всього в 10 кілометрів.

Несиметричність пульсара сильно впливає на його гравітаційне поле. За словами астрофізиків, саме це і викликає гравітаційні хвилі, що розсіюють кінетичну енергію системи. Коли акреція припиняється J1023 + 0038 знову стає радіоджерелом, одночасно з цим зникає несиметричність об'єкта і гравітаційні хвилі.

Раніше незвичайну поведінку пульсара намагалися пояснити взаємодією з акреційним диском. Однак, як зазначають автори роботи, ці моделі не повні, оскільки погано пояснюють одночасність перемикання темпів уповільнення і зміни характеру випромінювання об'єкта.

Цікаво, що пульсари - важливі об'єкти для прямого пошуку гравітаційних хвиль. Один з проектів для детектування хвиль - консорціум NANOGrav - заснований на тому, що періодичність випромінювання пульсарів витримується дуже чітко. Якщо неподалік від пульсара відбудеться злиття двох надмасивних чорних дір, то це призведе до затримки сигналу пульсара - він потрапить на Землю трохи пізніше від очікуваного.