Кроме того, астрономы могут проанализировать, как изменяется время прихода импульсов в результате прохождения излучения (в данном случае – радиоволн) мимо звезды, являющейся партнером пульсара. Они делают это, измеряя задержку Шапиро, то есть временную задержку из-за искривления света гравитацией. “Мы действительно хорошо умеем измерять время”, – говорит Энн Арчибальд, астроном из Амстердамского университета, и рассказывает такую историю. Когда космический зонд “Кассини” прошел за Солнцем по пути к Сатурну, ученые зарегистрировали радиолокационные сигналы от него и очень точно измерили время их прохождения. Конечно же, поскольку свет из-за влияния гравитации Солнца следовал по изогнутой траектории, ему потребовалось немного больше времени, чтобы добраться до детекторов на Земле. Так и была измерена задержка Шапиро, и “Кассини” произвел лучшее ее измерение. С помощью измерения этой задержки проверяют и вывод альтернативных теорий гравитации о том, какое искривление света они предсказывают. И конечно, вычисление этой задержки позволяет астрономам определять массы самого пульсара и его звезды-компаньона. (Подробнее о задержке Шапиро см. в разделе “Чуть глубже: Законы Кеплера и посткеплеровские параметры”.)

Есть и другие эффекты, предсказанные общей теорией относительности. В 1998 году Майкл Крамер, который тогда был постдоком, а сейчас директор Радиоастрономического института Макса Планка и гуру в области гравитационных явлений, наблюдал пульсар Халса – Тейлора с помощью стометрового телескопа в Эффельсберге. Ему показалось, что форма импульса отличается от той, что приводилась в опубликованной двадцать четыре года назад статье. Он поискал другие описания профиля импульсов этого пульсара в прошлых публикациях и заметил, что его форма менялась гораздо сильнее, чем считалось ранее. “Я копнул глубже, проанализировал больше данных и в конце концов понял, что увидел первое реальное свидетельство геодезической прецессии – эффекта общей теории относительности, который был предсказан для этой двойной звездной системы сразу после ее открытия в 1974 году”, – говорит Крамер. Геодезическая прецессия возникает при огибании гироскопом массивного объекта, искривляющего вокруг себя пространство. При этом ось гироскопа слегка смещается, описывая за оборот угол больше 360 градусов. Когда пульсар обращается вокруг своего компаньона, масса партнера заставляет его погружаться в гравитационную яму в ткани пространства-времени, из-за чего направление пучка излучения (подобного лучу маяка) немного смещается – ив какой-то момент пучок начинает промахиваться мимо Земли. Мы такой пульсар обнаружить уже не можем.

Точность наблюдений Крамера была не слишком большой, поскольку стометровый телескоп, который он использовал, гораздо менее чувствителен, чем телескоп Arecibo, с помощью которого был обнаружен пульсар, а позже Джо Тейлор (один из астрономов, открывших двойную систему) и Джоэл Вейсберг проверяли правильность общей теории относительности. Тем не менее Крамер предсказал, как форма импульса продолжит меняться с течением времени, и даже набрался смелости и предсказал на основе своих данных, что пульсар исчезнет из поля зрения в период между 2020 и 2025 годами. “Я думаю, немногие коллеги поверили моему результату, и это неудивительно”, – говорит он. Однако несколько недель спустя Крамер неожиданно получил электронное письмо от Тейлора, в котором содержался график. Прочитав статью Крамера, Тейлор и Вейсберг отправились на Arecibo и провели новое измерение импульсов пульсара – и оказалось, что измеренная ими ширина импульса совпадает с предсказанием Крамера.

“Это был довольно приятный момент”, – говорит Крамер, улыбаясь. И это стало для него хорошей мотивацией для продолжения работы с пульсарами и проверки общей теории относительности. Такие физики, как он, ищут все более экстремальные условия для проверки теории гравитации – в надежде, что однажды они смогут найти сценарий, при котором предсказания теории не сбудутся, и тогда у них возникнет новое, лучшее понимание физики.

В 2000 году им повезло найти такие экстремальные условия: Марта Бургай, которая сейчас работает в обсерватории Кальяри, обнаружила уникальную систему – двойной пульсар (PSR J073 7-3039 А/В) – в обзоре данных наблюдений на телескопе Parkes, Австралия. Как говорилось ранее, это единственная известная двойная система, в которой оба объекта являются – или скорее являлись – пульсирующими нейтронными звездами. Эта система настолько релятивистская, что астрономы получили возможность с ее помощью проверять такие аспекты теории относительности Эйнштейна, которые никогда ранее тщательной проверке не подвергались.

Майский день 2000 года у Марты Бургай начался точно так же, как и любой другой день в ее научной карьере. Она просматривала обзор наблюдений пульсаров, проведенных на телескопе Parkes, особенно внимательно отслеживая все, что касается центра Галактики, и неожиданно заметила быстро вращающийся пульсар в двойной системе. На первый взгляд это был обычный двойной миллисекундный пульсар с не слишком интересным спутником, похожий на многие десятки подобных двойных систем. “Это открытие не было каким-то особенным”, – вспоминает Эндрю Лайн, работавший с Бургай на Parkes. Как и в случае с любой другой двойной системой, они начали заниматься ее хронометрированием, то есть наблюдать ее через определенные промежутки времени и смотреть, как она себя ведет. Вскоре ученые решили, что компаньон, вероятно, тоже был нейтронной звездой, аналогично двойному пульсару Халса – Тейлора. Однако в этом случае двойная система звезд была крайне тесной, так что эффекты общей теории относительности Эйнштейна становились очень заметными, поскольку два массивных тела искривляли пространство-время чрезвычайно сильно. Вскоре Бургай и ее коллеги представили в Nature статью о новой двойной системе19.

Прошло четыре года. Однажды астроном Дункан Лоример из Университета Западной Вирджинии захотел протестировать некое новое программное обеспечение и подумал, что недавно обнаруженная двойная система идеально для этого подходит. Весной 2004 года он принялся отлаживать свою программу, собирая с помощью телескопа Parkes свежие данные по этой двойной системе. Внезапно Лоример обнаружил очень специфические периодические импульсы, и это означало, что обе звезды испускали радиоволны. Он сразу же позвонил Лайну, в тот момент проводившему свой отпуск в Уэльсе, то есть на другом конце света. Лайн помнит тот момент, когда зазвонил телефон: “Это был Дункан, звонил, чтобы сказать, что он обнаружил трехсекундную периодичность, и спросить, что с этим делать”.

Один из двух пульсаров вращался с огромной скоростью, совершая сорок пять оборотов в секунду, а другой – относительно медленно, с периодом 2,7 секунды. Почему так важна эта трехсекундная периодичность? В двойной звездной системе, когда формируется вторая нейтронная звезда, она ведет себя как обычный пульсар – аккреция на нее с очень плотного компаньона невозможна. Она замедляется и выключается за относительно короткое время, и тогда остается только уже долго поживший миллисекундный раскрученный первый пульсар. Трехсекундный период был визитной карточкой раскрученного пульсара. “Мы увидели, что периодичность действительно менялась так, как должна была бы меняться, если бы медленный пульсар находился на общей орбите с миллисекундным пульсаром”, – говорит Лайн.

В этой двойной системе действуют невероятно мощные гравитационные силы, поскольку обе нейтронные звезды обращаются друг относительно друга по орбитам малого радиуса с периодом всего 2,4 часа, что с космической точки зрения означает невероятную близость друг к другу. Мы видим систему почти с ребра, то есть Земля находится почти в плоскости орбиты, а это означает, что мы видим, как один пульсар проходит почти точно перед другим (затмевает его). В марте 2008 года более медленный пульсар исчез, импульсы от него до сих пор не регистрируются. Исчезновение импульсов – еще одно проявление геодезической прецессии, и ученые предсказывают, что его импульсы снова можно будет увидеть в 2035 году.