4. Двойные радиопульсары

Среди радиопульсаров, обнаруженных в первые пять лет после их открытия, не было ни одного, входящего в состав двойной системы. Вследствие какого-то неумолимого закона радиопульсары избегали двойных систем.

Эта непонятная закономерность была разрушена в июле 1974 года, когда американские радиоастрономы Р. Халс и Дж. Тейлор открыли пульсар PSR 1913+16 \ Период пульсаций его в среднем оказался равным 0,059 секунды. Мгновенное значение периода колебалось, в свою очередь, с периодом 7,75 часа.

В 1974 году этот эффект уже не представлял собой особой загадки. Опыт изучения рентгеновских пульсаров показал, что эти колебания — следствие эффекта Доплера и вызваны они движением пульсара по орбите. На рис. 96 пока-

15* Три буквы — сокращение от английского слова pulsar, цифры означают прямое восхождение а = 19h13m и склонение 6 = +16°.

Рис 96* Кривая лучевых скоростей радиопульсара PSR 1913+16

зана кривая лучевых скоростей, полученная сразу после открытия пульсара. Она отличается от синусоиды, и это означает, что орбита пульсара сильно эллиптичная. Функция масс системы равна 0,13М0. Сразу после открытия двойственности был предпринят тщательный поиск спутника пульсара. Но ни в одном из диапазонов электромагнитных волн ничего не удалось найти.

Из главы, посвященной парадоксу Алголя, мы знаем, что для получения полной информации о двойной системе и ее звездах необходимо наблюдать обе компоненты. Функция масс, определяемая по наблюдениям лучевой скорости одной из звезд, есть функция трех неизвестных: масс компонент Mi и М2 и угла наклона системы г. Определить же массу каждой из звезд по кривой лучевых скоростей невозможно. А ведь эта кривая — единственное, что мы имеем для пульсара с невидимым спутником.

И все же массу пульсара удалось измерить. Удалось также измерить массу невидимого спутника. Более того, точность измерений оказалась рекордной. Это единственные звезды во всей Вселенной, для которых мы знаем массы с точностью до нескольких процентов!

Все дело в чрезвычайно высокой стабильности собственного излучения пульсара. Если говорить не о периоде, а о частоте, то можно сказать, что пульсар подобен звезде, дающей абсолютно тонкие спектральные линии. Ширина спектральных линий звезд определяется в основном тепловыми движениями атомов в их атмосферах. Скорость теплового движения обычно равна нескольким километрам в секунду. Линия «размывается» относительно центральной длины волны на величину ДА/А = vT/c = 1/1000. «Размывание» периода вращения пульсара, связанное с замедлением его вращения, происходит в течение 200 миллионов лет. Ширина «спектральной линии» пульсара есть величина, обратная времени размывания, так что относительная ширина состав- ляет ~ 10              !

Наблюдая такую сверхтонкую линию, можно измерить лучевую скорость пульсара со сколь угодно большой точностью. Все зависит от времени наблюдения, т. е. от полного числа принятых импульсов. Точность, достигнутая уже в первый год наблюдений, позволила измерять эффекты, обусловленные специальной и общей теорией относительности. Измерение новых эффектов подобно добавлению новых, недостающих уравнений для определения неизвестных. Функция масс, определенная по классическому эффекту Доплера, дает связь трех величин. Необходимы еще два уравнения.

Здесь на помощь приходит поперечный эффект Доплера. Ведь наблюдаемый период пульсара зависит не только от лучевой скорости, но и от полной скорости пульсара. Если бы пульсар двигался по окружности и его полная скорость оставалась постоянной, то проку от поперечного эффекта Доплера не было бы. Мы же не знаем «истинного» периода пульсара! Но орбита пульсара сильно эксцентрична.

Так же действует и другой релятивистский эффект — замедление времени в поле тяготения. Мы уже сталкивались с ним, рассказывая о гравитационном красном смещении. Тогда мы объяснили его с чисто энергетических соображений (квант краснеет, совершая работу против сил гравитации). На языке общей теории относительности покраснение кванта связано с тем, что для удаленного наблюдателя время вблизи тяготеющего тела течет медленнее.

Итак, измерение релятивистского эффекта Доплера и гравитационного красного смещения дает еще одно уравнение. Однако «реализм действительной жизни» состоит в том, что классический эффект Доплера изменяет наблюдаемый период пульсара с тем же периодом (периодом двойной), что и релятивистский эффект. Их невозможно разделить. Вот если бы мы смогли посмотреть на двойную «сбоку»! Тогда классический эффект Доплера изменится, а релятивистские эффекты останутся прежними. Эти эффекты удалось бы разделить и получить дополнительное уравнение.

Как ни странно, это возможно. Есть еще один вполне наблюдаемый релятивистский эффект, который заменит нам «космическое путешествие». Согласно общей теории относительности, закон всемирного тяготения Ньютона в сильных полях просто неприменим, а в слабых неточен. Гравитационное поле системы двойной звезды на расстоянии большой полуоси невелико — ведь орбитальная скорость в тысячу раз меньше скорости света.

В действительности сила притяжения оказывается не строго обратно пропорциональной квадрату расстояния. Орбита двойной звезды в таких условиях не может быть замкнутой (см. рис. 97). Это выглядит таким образом, будто эллипс орбиты медленно поворачивается в плоскости двойной системы. Получается так, как если бы мы облетали двойную, наблюдая ее с разных сторон.

Это удивительно красивое обстоятельство не только позволяет разделить классический и релятивистский эффекты

Доплера, но и дает третье недостающее уравнение, необходимое для определения трех параметров: масс и угла наклона.

Полный оборот эллиптическая орбита пульсара совершает за 86 лет. Конечно, это не означает, что нужно ждать 86 лет. Точность измерений такова, что уже через несколько лет после начала наблюдений удалось измерить массы компонент двойной. Они оказались близки друг к другу и равны (1,42 ± О,1О)М0. Полученное значение массы находится в великолепном согласии с теорией эволюции и внутреннего строения звезд.

В последние годы удалось открыть еще два радиопульсара, входящих в состав двойных систем (см. табл. 6). Характерно, что и у этих звезд спутники никак себя не проявляют.

Двойная звезда излучает гравитационные волны. Общая теория относительности предсказывает определенную интенсивность этого излучения. Двойная теряет не только энергию, но и вращательный момент. Звезды «съезжаются» навстречу друг другу. При этом период системы уменьшается.

Благодаря высокой стабильности радиопульсара удалось точно измерить период двойной и его изменение. Период двойной действительно уменьшается, причем, как это и следовало ожидать, в соответствии с теорией Эйнштейна.