меню содержание news288 news289 news290
Пульсары подтвердили правильность предсказаний Эйнштейна
|
Двойная система пульсаров J0737-3039. Изображение Michael Kramer
( Jodrell Bank Observatory, University of Manchester )
Группа астрономов подтвердила правильность одного из предсказаний общей теории относительнос-
ти Эйнштейна с помощью наблюдений системы из двух пульсаров. Результаты ученых опубликованы
в журнале Science.
Астрономы в течение четырех лет наблюдали двойную систему пульсаров, получившую название
J0737-3039.
Пульсары - это нейтронные звезды, образующиеся при взрыве сверхновых. Быстро вращаясь вокруг
своей оси, пульсар испускает периодические импульсы электромагнитного излучения в основном в
радиодиапазоне. В системе J0737-3039 один из пульсаров - пульсар В - каждые 2,5 часа проходит
перед вторым пульсаром - пульсаром А, - закрывая его от наблюдателя.
Измеряя параметры исходящих сигналов во время этих периодических затмений, ученые, используя
разработанную ими модель, смогли предсказать форму магнитного поля пульсара В. Эта информация,
в свою очередь, позволила вычислить ориентацию оси, вокруг которой вращаются нейтронные звезды
системы J0737-3039. Обобщив данные, полученные за четыре года наблюдений, астрономы определи-
ли, что за год ось поворачивается на угол, чуть меньший пяти градусов. Таким образом, за 75 лет ось
совершает полный оборот.
Как изменяются параметры системы в результате смещения оси, можно посмотреть на видео здесь
- youtube.com/watch?v=__9Gq3U3mq4 .
Наблюдаемый эффект, известный как прецессия спина, был предсказан
Эйнштейном ещё около 90 лет назад.
Согласно положениям теории относительности, два массивных тела, обращающихся рядом, будут вы-
зывать искривление пространства, достаточное для смещения оси, вокруг которой они вращаются.
Как следствие такого смещения, сами тела начнут колебаться. Именно эти колебания измеряли астро-
номы во время затмений пульсара А.
Вычисленное на основании наблюдений значение поворота оси составляет 4,77 плюс-минус 0,66
градуса в год. Значение, вычисленное исходя из положений теории относительности, равно 5,07 гра-
дуса в год. Расхождение между теоретически предсказанными и полученными экспериментально
значениями составляет около 13 процентов. Один из авторов работы, Рене Бретон ( Rene Breton) из
Университета Макгилла в Монреале, заявил, что по мере накопления данных точность значения пово-
рота оси будет увеличиваться. Возможно, это приведет к усилению расхождения между теорией и
практикой.
На данный момент система пульсаров J0737-3039 является единственной системой, которая позволяет
наблюдать прецессию спина. Для того чтобы проводить необходимые измерения сигналов во время
затмений, необходимо, чтобы излучение закрываемой нейтронной звезды попадало непосредственно
на наблюдателя на Земле, а вторая звезда полностью закрывала ее. Астрономы смогут использовать
систему J0737-3039 для проверки теории относительности еще в течение 85 миллионов лет. После
этого звезды, медленно теряющие энергию во время вращения и постепенно сближающиеся, должны
столкнуться.
ссылки:
sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5885/104
lenta.ru/news/2008/07/04/pulsar/
Теория тяготения Эйнштейна выдержала новую проверку
астрономических наблюдений.
Медленный поворот оси вращения одного из компонентов двойного пульсара J0737-3039 находится
в точном соответствии с теорией. Этот результат позволит отвергнуть целый класс альтернативных
теорий, которые могли бы сблизить тяготение с квантовой механикой.
Развитие физики неплохо подтверждает законы диалектического материализма. Количественное
уточнение и усложнение теорий, описывающих окружающий мир, в какой-то момент приводит к
качественным изменениям, революциям в понимании физических процессов. Самые известные
революции такого рода в XX веке – это появление теории относительности и квантовой механики,
радикально изменивших облик физики и выдержавших немалое число экспериментальных тестов.
В отличие от квантовой теории, которая за сто с лишним лет со знаменитого берлинского доклада
Макса Планка о теории излучения разрослась в целое семейство наук, связанных друг с другом лишь
самыми общими принципами, Общая теория относительности ( ОТО ), сформулированная Эйнштей-
ном в 1915 - 1916 годах, дошла до нас практически в неизменном виде.
Во многом это связано с консервативностью научного мира – ОТО может сколько угодно не нравиться
философствующим теоретикам, не устающим предлагать новые варианты теории гравитации. Альтер-
нативные теории лучше отражают физический смысл явления тяготения, способны не допустить появ-
ления «нефизических» чёрных дыр или просто удобнее в расчётах, считают их создатели.
Более того, большинство учёных уверены, что ОТО не является окончательной теорией гравитации,
поскольку все попытки «поженить» её с квантовой механикой до сих пор оканчивались неудачей.
Но создание теории тяготения, которая будет вытекать из квантовой механики и при этом для больших
тел сводиться к теории Эйнштейна, остаётся одной из главных задач современной теоретической
физики.
Однако последнее слово в физике всегда остаётся за экспериментаторами. А они до сих пор не сделали
ни одного убедительного измерения, которое бы в рамки ОТО не укладывалось. Наоборот, все они раз
за разом подтверждали точность расчётов, сделанных с помощью эйнштейновской теории, начиная
с самой первой её проверки Эддингтоном и Дайсоном во время солнечного затмения 29 мая 1919 года.
Судя по всему, «убить» Общую теорию относительности опять не удалось. Она с блеском выдержала
экзамен, вновь сдавать который её заставил уникальный небесный объект - двойной радиопульсар
PSR J0737-3039.
Когда в 2003 году радиоастрономы под руководством Ники Д'Амико из группы австралийца Дика
Манчестера нашли очень тесную пару нейтронных звёзд, расположенную на расстоянии 2 тысяч све-
товых лет в направлении на южное созвездие Кормы, возбуждению астрономов не было предела.
До недавнего времени они не так часто становились Нобелевскими лауреатами, так что все отлично
помнили премию 1993 года, которую Халс и Тейлор получили за исследование подобного объекта.
Нейтронные звёзды -
конечный продукт эволюции звезды с массой от нескольких до нескольких десятков масс Солнца. В
таких звёздах процесс термоядерного синтеза в ядре, который в Солнце закончится там же, где начался
..
В пульсаре PSR B1913+16, который теперь называют не иначе как пульсаром Халса - Тейлора, две
нейтронные звезды - сверхплотные объекты массой порядка массы Солнца и размером в десяток-
-другой километров - обращаются друг вокруг друга примерно за 8 часов по орбите размером чуть
более миллиона километров. При столь тесной близости таких массивных тел проявляются сильней-
шие релятивистские эффекты, измерить которые помогло то обстоятельство, что одна из нейтронных
звёзд оказалась радиопульсаром – невероятно стабильным источником периодических радиоимпуль-
сов, моменты прихода которых можно измерить с точностью до микросекунд. Один из эффектов -
излучение энергии в виде неуловимых гравитационных волн, за счёт которого двойная система мед-
ленно сжимается и в конечном итоге сольётся в один объект, - удалось измерить так точно, что Нобе-
левский комитет, отчаявшись ждать обнаружения гравитационного излучения в земных лабораториях,
решил присудить премию астрономам.
В J0737-3039 нейронные звёзды расположены ещё ближе друг к другу, совершая полный оборот за 2
часа 25 минут - вся система целиком поместилась бы внутри нашего Солнца. Здесь эффекты сильного
поля тяготения ещё сильнее - например, расчётное время жизни системы для слияния - смешные по
астрономическим меркам 85 миллионов лет. Всё это делало исследования J0737-3039 ещё заманчивее,
тем более что и период самого пульсара здесь оказался всего 22 мс против 59 мс в пульсаре Халса -
Тейлора.
Однако, в октябре 2004 года выяснилось, что всё ещё интереснее..
Повторный анализ данных с австралийского телескопа имени Паркеса, в которых и был открыт пуль-
сар J0737-3039A, обнаружил присутствие другого пульсара - J0737-3039B - с периодом почти 3 с.
Это единственный известный в Галактике по-настоящему двойной радиопульсар, в котором пульса-
рами являются оба компонента.
Более того, пульсар B при своём орбитальном движении периодически оказывается перед пульсаром
A и затмевает его излучение своей магнитосферой. При орбитальном движении системы, раз в 2 часа
25 минут на частую гребёнку импульсов пульсара A накладывается 30-секундная «маска» редких затме-
ний с периодом 3 секунды, вызванных поглощением излучения первого пульсара в магнитосфере вто-
рого. Если вы запутались в этом словесном описании, посмотрите видеоролик, показывающий пове-
дение системы.
Радиопульсары
открыты в 1967 году аспиранткой Джоселин Белл профессора Кембриджского университета Энтони
Хьюиша. Это источники регулярных импульсов радиоизлучения с периодом от нескольких миллисе-
кунд до нескольких секунд...
Пульсар. Рисунок Даниэля Кантена, Университет имени Макгилла
В общем, неудивительно, что изучать J0737-3039 бросились астрономы по всему миру. Впрочем,
изучать - это, может быть, сильно сказано. В большинстве случаев такое изучение ограничивается
именно измерением моментов прихода импульсов. При этом использовались именно импульсы
первого пульсара - они гораздо ярче и чётче и видны всё время, в то время как у второго пульсара
показываются лишь на некоторых орбитальных фазах.
Моменты прихода импульсов, на самом деле, дали огромное количество информации о тонких
деталях эволюции системы. В 2006 году в журнале Science была опубликована статья, в которой
на основании этих данных была проведена проверка предсказаний Общей теории относительности.
Параметры, описывающие систему, сошлись с предсказаниями ОТО с точностью до 0,05%, и этот
двойной пульсар стал лучшим доказательством применимости теории в сильных гравитационных
полях.
Однако это согласование касалось лишь орбитального движения двух пульсаров друг вокруг друга.
Уравнения общей теории относительности невероятно сложны, и решать их никто не умеет.
Существуют лишь несколько абсолютно точных решений, не имеющих большого практического при-
менения, а во всех оставшихся случаях учёным приходится пользоваться приближениями.
Первое приближение, описывающее отличия релятивистского движения от того, что предсказывает-
ся законом тяготения Ньютона, так и называется - первым постньютоновским приближением.
Оно предполагает вычисление нескольких параметров, и когда мы упоминали о точности в 0,05%,
имелось в виду именно согласие этих «постньютоновских» параметров с предсказаниями ОТО.
На самом деле, постньютоновские параметры можно измерить и в Солнечной системе - пусть и не
с такой точностью, как в двойном пульсаре. Эти классические тесты теории относительности учёные
провели ещё много десятилетий назад, и поэтому большинство обобщений ОТО уже заранее строит-
ся таким образом, чтобы орбитальное движение в этом приближении не отличалось от эйнштейнов-
ского - глупо, в конце концов, предлагать теорию, которая уже опровергнута экспериментом. Так что
на большинство альтернативных теорий прежние результаты накладывали не такие уж сильные
ограничения.
На этот раз Рене Бретон из Университета имени Джеймса Макгилла в канадском Монреале и его кол-
леги из Великобритании, США, Франции и Италии решили изучить не орбитальное движение двух
пульсаров, а изменение ориентации оси вращения пульсара B со временем. Ось вращения пульсара
медленно поворачивается, описывая большой конус вокруг оси орбитального вращения двух тел; это
явление называется прецессией. Подобным образом, кстати, поворачивается и земная ось, за счёт
чего 12 тысяч лет назад, например, она смотрела не на Полярную звезду, а на Вегу, которая и была
настоящей «полярной».
Однако, если в случае с Землёй прецессия - результат работы приливных сил Солнца и Луны, и пе-
риод её зависит от распределения массы в теле нашей планеты, то Бретон и его коллеги измеряли
чисто релятивистский эффект взаимодействия моментов вращения пульсара B и двойной системы в
целом. В соответствии с теорией Эйнштейна, период такой прецессии можно определить исключи-
тельно из массы двух тел и расстояния между ними. В случае J0737-3039 ОТО предсказывает период
прецессии в 70 лет 350 дней ( с точностью около 3 суток ).
Второй видеоролик показывает, как в соответствии с теорией прецессирует ось пульсара в период
с января 2004 по январь 2029 года.
Чтобы измерить эту величину в действительности, учёные воспользовались медленным смещением
«маски» редких затмений, которая каждый орбитальный период оказывается перед частоколом им-
пульсов пульсара A на его кривой блеска. Воспользовавшись моделью магнитосферы пульсара B,
построенной Максимом Лютиковым из американского Университета имени Джона Пердью, учёные
смогли связать смещение маски с поворотом оси пульсара. Период этой прецессии, вычисленный
из наблюдений, составил примерно 75 +/- 10 лет, то есть в полном согласии с предсказаниями тео-
рии Эйнштейна. Работа учёных опубликована в последнем номере Science.
Конечно, плюс-минус десять лет - это не точность в 0,05%, это в 300 раз хуже. Однако, во-первых,
точность этой оценки с накоплением новых данных будет быстро возрастать (квадратично по суммар-
ной продолжительности наблюдений ).
А во-вторых, и это самое главное, данный тест смогут выдержать далеко не все «обобщённые» теории,
которые успешно проходят проверку орбитальным движением.
Простор для деятельности теоретиков, пытающихся разработать альтернативные теории гравитации,
с появлением новых измерений существенно сузился.
Конечно, не стоит думать, что «очередной триумф теории Эйнштейна», как уже называют результат
работы Бретона и его коллег, заставит физиков остановиться в своих поисках - будь они эксперимен-
таторы или теоретики. Для первых найти эффект, объяснение которого не укладывается в рамки одной
из самых успешных физических теорий, - что-то сродни поискам святого Грааля. А последние уже
давно чувствуют, что развитие теории гравитации как-то «застоялось», и с нетерпением ждут от экс-
периментаторов подсказки, куда же двигаться дальше. Быстрое увеличение точности измерения пре-
цессии пульсара PSR J0737-3039 даёт надежду, что подобная подсказка может проявиться в данных
уже в ближайшие годы.
gazeta.ru/science/2008/07/04_a_2774241.shtml
Найдена "потерянная" энергия солнечного ветра
|
Внешний вид гелиосферы ( синий цвет). Оранжевым показан
межзвездный газ. Сфера в центре – граница ударной волны.
Яркая точка в центре сферы – Солнце.
Изображение NASA/Walt Feimer
Ученые из университета Беркли, Калифорния, закончили исследование отдаленных областей гелио-
сферы – района космоса, в котором присутствуют потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем.
В 2007 году было обнаружена, что энергия таких потоков (называемых солнечным ветром) в отдален-
ных районах гелиосферы ( heliosheath ) на 70 процентов ниже расчетной. В результате исследования
астрономам удалось найти недостающую энергию. Работа ученых опубликована в журнале Nature.
Космическая программа "Стерео" ( "STEREO" ) изначально была направлена на изучение Солнца.
В рамках этой программы на орбиту были выведены два спутника с научным оборудованием.
На каждом был установлен супратермальный электронный детектор, предназначенный для обнаруже-
ния электронов. Как выяснилось, такие детекторы могут улавливать так называемые нейтральные
энергетические атомы. Они образуются при попадании плазмы в разряженную среду. Ионы плазмы
начинают сталкиваться с атомами среды, порождая поток быстрых атомов, называемых нейтральные
энергетические атомы.
Такие атомы движутся со скоростью ионов, сохраняя информацию о породившей их плазме. Кроме
того, они не подвержены воздействию магнитных полей, поскольку не обладают электрическим заря-
дом. Изучая потоки таких атомов, идущие из дальних районов гелиосферы, ученым удалось получить
карту распределения ионов плазмы.
Средняя скорость солнечного ветра рядом с Солнцем составляет 450 километров в секунду. Область
гелиосферы, где скорость частиц становится дозвуковой, называется границей ударной волны. За этой
границей лежит наименее изученная область гелиосферы. Именно там ионы солнечного ветра взаимо-
действуют с частицами межзвездного газа и порождают нейтральные энергетические атомы, которые
регистрировала аппаратура на борту спутников "Стерео".
Граница ударной волны была обследована аппаратами "Вояджер 1" и "Вояджер 2". Они установили,
что энергия космического ветра после пересечения границы составляет менее трети от энергии сол-
нечного ветра до пересечения. Новые данные, полученные "Стерео", показывают, что недостающая
энергия содержится в облаках ионов, заполняющих гелиосферу.
Ссылки:
lenta.ru/news/2008/07/04/solarwind
На границе Солнечной системы "Вояджер-2" столкнулся с аномалиями
Voyager-2 преждевременно пересечет границы Солнечной системы
Domination of heliosheath pressure by shock- - Nature, 03.07.08
First images of solar system's invisible frontier - пресс-релиз университета Беркли
Сайты:
Официальный сайт программы "Стерео"
Официальный сайт программы "Вояджер"
