Космический танец трех мертвых звезд может нарушать относительность

Представьте, что вы астроном с интересными идеями о тайных законах космоса. Как и любой хороший ученый, вы планируете эксперимент для проверки своей гипотезы. И вдруг плохие новости: нет никакого способа ее проверить, кроме разве что компьютерного моделирования. Космические объекты слишком большие и неудобными, чтобы их можно было вырастить в чашке Петри или столкнуть как субатомные частицы.

К счастью, в космосе бывают редкие места, где природа проводит собственные эксперименты — вроде PSR J0337+1715. Впервые наблюдалась эта тройная система в 2012 году, а в 2014 году ученые официально заявили о ее открытии. Она находится в 4200 световых лет от нас в созвездии Тельца.

Три мертвых звездных ядра вращаются в танце, который может подтвердить — или привести к пересмотру — идеи Эйнштейна о пространстве-времени. Ставки высоки. В 1970-х годах система из двух мертвых звезд обеспечила сильные, хоть и косвенные доказательства, подтверждающие общую теорию относительности Эйнштейна, и что гравитационные волны, которые в итоге нашла LIGO, действительно существуют. За эту работу ученые получили Нобелевскую премию.

Чтобы понять PSR J0337+1715 в рамках эксперимента, Джошуа Сокол с New Scientist предлагает представить ее как физическое место. Примерно на таком же расстоянии от центра системы, на котором Земля вращается вокруг Солнца, лежит холодный белый карлик, остатки затвердевшего ядра звезды типа нашей. Чуть поодаль есть еще один белый карлик погорячее. Он должен «кричать ярким светом» в небе, говорит Скотт Рэнсом из Национальной радиоастрономической обсерватории в Вирджинии, руководящий наблюдениями за этой системой.

Каждые 1,6 дня этот внутренний белый карлик кружится вокруг компаньона, не видимого невооруженным глазом. Но в рентгеновском или гамма-лучевом видении два белых карлика относительно тусклые по сравнению с компаньоном — сферическим 24-километровым объектом, масса которого в полтора раза превышает массу Солнца.

Это пульсар, остаток гораздо более крупной звезды. Он делает оборот раз в 2,73 миллисекунды, как космический пылевой демон. Каждое вращение выпускает пучок радиоволн в небо, которые достигают Земли с каждым оборотом — мы используем его сверхточные сигналы как космические часы. И поскольку эти тела имеют интенсивные, запутанные гравитационные поля, а у нас есть часы, которые к ним подвязаны, проверить Эйнштейна было бы крайне удобно.

Команда Рэнсома отслеживает тикание пульсара, измеряя, как меняются орбиты трех тел, и сравнивая результаты с предсказаниями теории Эйнштейна. На одной идее они сосредоточены особенно серьезно.

Вспомните апокрифическую историю Галилея на Пизанской башне в Пизе, который бросал объекты о землю, чтобы показать, что разным массам требуется одно и то же время, чтобы пролететь одно и то же расстояние. Астронавт Дэвид Скотт проделал этот же эксперимент на Луне с пером и молотком.

Принцип так называемой сильной эквивалентности в общей теории относительности продолжает эту идею. Он утверждает, что даже объекты со своими собственными гравитационными полями должны реагировать на гравитацию точно так же, как остальные.

Как с перьями и молотком, внутренний белый карлик и гораздо более тяжелый пульсар должны вести себя одинаково под гравитационным притяжением внешнего белого карлика. Если нет, орбита внутренней пары станет более вытянутой, чем ожидается, — и принцип эквивалентности будет нарушен, и общая теория относительности ошибочна.

И тогда будет шок и трепет. Но такого шока можно было рано или поздно ожидать, поскольку ОТО печально известна тем, что не хочет дружить с другими теориями природы.

«Любая другая теория гравитации, помимо общей теории относительности, в основном предсказывает, что сильный принцип эквивалентности на определенном уровне терпит неудачу», говорит Рэнсом.

На сентябрьской конференции, посвященной пульсарам, которая пройдет в Великобритании, команда Рэнсома надеется объявить о новых результатах, начиная с работы Анны Арчибальд, которая проверит принцип эквивалентности в 50-100 раз лучше, чем когда-либо прежде. Они еще этого не сделали, говорит Рэнсом, потому что нужно подробнее изучить некоторые закономерности в данных, которые, похоже, нарушают принцип эквивалентности.

«Очевидно, это будет мощно, поэтому мы бы хотели убедиться, что понимаем данные правильно», говорит Рэнсом. На текущий момент компьютеры все еще проводят анализ.

Каковы шансы, что, когда работа выйдет, люди будут взволнованы?

«Большинство людей считают, что сильный принцип эквивалентности не может потерпеть неудачу на таком уровне. Это одна из причин, по которой мы постоянно бьемся головой об стену».

Возможно, PSR J0337+1715 — идеальный космический эксперимент: эксперимент, в котором общая теория относительности точно надломится, не на бумаге, а наверняка. Или подождем еще немного.