Сверхплотная тройная звезда продемонстрировала уникальные гравитационные эффекты

При помощи радиотелескопа Грин-Бэнк команда астрофизиков обнаружила на звёздном небе крайне необычную компанию: звёздное трио, состоящее из двух белых карликов и сверхплотной нейтронной звезды, расположенных столь компактно, что все они могли бы уместиться внутри земной орбиты вокруг Солнца. Гравитационные эффекты, вызванные близким расположением и свойствами светил, уникальны в своём роде и потому заинтересовали исследователей.

Именно благодаря таким звёздным системам, где вездесущая гравитация работает в нестандартных условиях, астрофизики и надеются разгадать загадку об истинной природе этой силы.

"Эта тройная звезда является уникальной естественной космической лабораторией. Наблюдения за ней помогут нам найти пробелы в Общей теории относительности Эйнштейна", — комментирует открытие Скотт Рэнсом (Scott Ransom), сотрудник Национальной радиоастрономической обсерватории США (NRAO).

Гравитационное трио было обнаружено практически случайно. Команда учёных, работавших с радиотелескопом Грин-Бэнк, искала пульсары — вращающиеся нейтронные звезды, которые периодически испускают радиоволны, подобно маякам. В рамках проекта астрофизики обнаружили пульсар PSR J0337+1715, удалённый на 4200 световых лет от Земли и совершающие около 366 полных оборотов в секунду. Такие объекты, называемые миллисекундными пульсарами, помогают в изучении редких явлений, к примеру, неуловимых гравитационных волн.

Дальнейшие наблюдения показали, что пульсар находится на близкой орбите у белого карлика (1,6 земного дня), а эта парочка в свою очередь расположена на одной орбите с ещё одним белым карликом, чуть более удалённым (орбита – 327 дней). Осознав уникальность своей находки, учёные подключили к работе ещё несколько приборов: радиотелескоп Аресибо в Пуэрто-Рико (Arecibo Observatory) и радиотелескоп Westerbork Synthesis в Нидерландах, а также несколько космических спутников.

"Мы впервые обнаружили миллисекундный пульсар в такой системе. Гравитационные возмущения, вызванные каждым из членов космического трио, очень мощные и чистые, а значит, поддаются точным измерениям", — поясняет Рэнсом в пресс-релизе NRAO.

Расчёты, по словам авторов исследования, были сделаны с беспрецедентной точностью. Учёные рассчитали массы и размеры светил с точностью до сотни метров. В ходе работы использовались различные методики, от прямых наблюдений до компьютерного моделирования и математических подсчётов. Так, к примеру, на первых этапах массы рассчитывались по принципу Исаака Ньютона, которые изучал массы в системе Земля-Луна-Солнце. Также в ход пошли и новые теории о гравитации Альберта Эйнштейна, однако и они не описали все эффекты достаточно полно.

В целом, астрофизики признаются, что благодаря своей находке они надеются найти брешь в эйнштейновском Принципе эквивалентности сил гравитации и инерции. Согласно этой концепции, если инертная и гравитационная масса некого крупного тела равны, то невозможно определить, какая из сил (инерция или гравитация) действует на малое тело. При этом действующие силы в обоих случаях пропорциональны инертной и гравитационной массе тела. Если говорить проще: гравитационный эффект, оказываемый неким телом, не зависит от природы и внутреннего строения этого тела.

"Принцип эквивалентности Эйнштейна не раз подтверждался в ходе лабораторных экспериментов, однако он никак не соотносится с квантовой теорией. Поэтому мы и выясняем, где правда. Если на Земле всё работает, то в экстремальных условиях, таких какие мы наблюдаем в нашем гравитационном трио, концепция должна быть нарушена", — говорит Рэнсом.

При взрыве сверхновой массивное светило превращается в сверхплотную нейтронную звезду, а часть прежней массы трансформируется в гравитационную энергию, которая удерживает тело в едином объёме. Согласно Принципу эквивалентности, эта энергия будет по-прежнему воздействовать гравитационно так, как если бы она была ещё массой. Но все альтернативные теории гласят, что такого эффекта быть не может.

Если верен Принцип эквивалентности, то гравитационные эффекты внешнего белого карлика будут идентичны эффектам нейтронной звезды и ближайшего к ней белого карлика. Если же концепция неверна для этой системы, то эффекты будут отличаться, и результаты наблюдений покажут это.

"Нарушение данной концепции будет означать крах Теории относительности Эйнштейна и рождение новой, более точной теории гравитации", — утверждает соавтор исследования Ингрид Стейрс (Ingrid Stairs) из университета Британской Колумбии. Судя по всему, наблюдения и вычисления продолжаются, а значит, окончательные выводы будут сделаны позднее.

Статья с нынешними результатами исследования вышла 5 января в журнале Nature.