Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Принцип эквивалентности – краеугольный камень общей теории относительности Эйнштейна. В нем утверждается, что гравитация действует на объекты одинаково, независимо от их состава или массы. В большинстве случаев физики работают только с менее строгой версией, называемой принципом слабой эквивалентности, который гласит, что объекты падают одинаково, независимо от их состава или массы, если их гравитация не слишком сильна. Известный пример: если убрать сопротивление воздуха и уронить перо и молоток с одной и той же высоты, они одновременно упадут на землю. Этот эксперимент был успешно продемонстрирован не только на Земле, в огромной вакуумной камере НАСА, но и на Луне.

Принцип сильной эквивалентности добавляет к принципу слабой эквивалентности одно условие: даже объекты, имеющие большую собственную массу (гравитацию), должны падать так же, как остальные. Такой объект, как планета или звезда, не рассыпается благодаря гравитации, а гравитационная энергия, удерживающая все его части вместе, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc², эквивалентна определенной массе. Падает ли тело с такой массой так же, как тела, состоящие из обычного вещества, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, скажем стул?²² Падает ли тело с большой самогравитацией, как обычное материальное тело? “Как бы странно это ни звучало, но на самом деле вопрос разумный, – говорит Арчибальд. – В то время как общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что тело с большой самогравитацией падает точно так же, как и все остальные тела, почти все альтернативные теории предсказывают, что на самом деле его падение должно отличаться от падения обычных тел. Другими словами, они утверждают, что если у вас есть объект с большой силой тяжести, удерживающей его от рассыпания, то этот объект из-за сильной самогравитации будет падать иначе”.

В лаборатории невозможно создать объект с сильной гравитацией. До недавнего времени лучшая проверка принципа сильной эквивалентности проводилась в системе Земля-Луна-Солнце. Гравитация удерживает пару Земля-Луна и не дает им разлететься. Но гравитация Земли намного больше, чем гравитация Луны. Так что если Эйнштейн ошибался и самогравитация тел влияет на то, как они падают, то, возможно, Земля падала бы иначе, чем Луна. Но сбросить Землю и Луну с башни, как сбрасывал пушечные ядра с башни Новой церкви в Делфте фламандский ученый Симон Стевин, невозможно. Однако, поскольку Земля и Луна обращаются вокруг Солнца, они как бы постоянно “падают” на него. Это означает, что, если бы они испытывали разные ускорения из-за разной силы тяжести, Солнце разорвало бы пару Земля-Луна. “Благодаря отражателям, которые американские астронавты с кораблей «Аполлон» и советские луноходы оставили на Луне, у нас есть очень точные измерения, хотя их и немного [данные имеются в доступе]. И похоже, с большой уверенностью можно сказать, что нет никакой разницы в том, как Земля и Луна ускоряются Солнцем”, – говорит Арчибальд.

Для такого эксперимента не обязательно иметь три тела, но в нем должно присутствовать какое-то внешнее гравитационное поле. Астрономы провели гравитационные тесты с двойными системами, используя, например, пульсар и белый карлик, испытывающие притяжение гравитационного поля Галактики – так сказать, “падающие” на Галактику. Но проблема с такими тестами заключается в том, что реально Галактика приводит к крошечному ускорению системы пульсаров: она не очень сильно притягивает, поэтому разница в том, как она воздействует на два тела, также мала.

Однако в пульсарах хорошо то, что они чрезвычайно плотные объекты – такие же, как белые карлики и черные дыры, – и их энергия связи намного сильнее, чем у обычных тел. Например, для пульсара она составляет от 10 до 15 % его массы. Так что, если бы эта гравитационная энергия связи реагировала на гравитацию иначе, чем вещество, в системе нейтронных звезд это было бы гораздо заметнее.

Проблема в том, что, в то время как мы довольно много знаем о нашей Солнечной системе, мы не всегда знаем массу нейтронной звезды или ее компаньона. “Мы должны сначала узнать, как тело должно упасть в соответствии с теорией Эйнштейна, что сложно, если мы не знаем точно, насколько сильна внешняя гравитационная сила”, – говорит Арчибальд.

Например, когда астронавт Дэйв Скотт, стоя на Луне, ронял молоток и перо в 1971 году, он ронял их в условиях одинакового притяжения – и они упали одновременно. При проведении таких проверок необходимо, чтобы оба объекта падали при одном и том же гравитационном притяжении – внешнем по отношению к ним обоим. В системе Земля-Луна-Солнце гравитационное притяжение обусловлено третьим соседним телом, то есть Земля и Луна притягиваются (или “падают”) к Солнцу.