Гравитационные волны

Материалы взяты с сайта Тодорова Николая.

Такие объекты, как пульсары, нейтронные звёзды или чёрные дыры, несмотря на свою необычность, были экспериментально обнаружены. Зато с гравитационными волнами - явлением, представляющим фундаментальный интерес, ситуация обстоит значительно сложней, и , пожалуй, драматичней.

Следует подчеркнуть, что теория гравитации с самого начала развивалась как сугубо статическая. Закон Ньютона фиксировал вид силы, действующей между двумя массами на определённом расстоянии, и не касался иных задач. После создания теории относительности стало ясно, что любое взаимодействие должно распространяться с конечной скоростью, не превышающей скорость света с. Это следовало отнести и к гравитации. Отсюда возникла идея об особом переносчике тяготения - гравитационном поле и конкретном проявлении этого поля в форме гравитационных волн.

Предсказание таких волн - одно из первых и почти очевидных следствий эйнштейновской общей теории относительности. Гравитационные волны появляются в простейшем линейном приближении этой теории в качестве решений, во многом похожих на то, что известно из электродинамики. Оставалось только обнаружить новые волны экспериментально и получше их использовать. Впереди маячили блестящие перспективы генерации тяготения в иные миры, дистанционного управления кривизной пространства-времени...

Эти перспективы маячат до сих пор, реализовавшись пока лишь на страницах научной фантастики. И вот почему так получилось.

Уравнения Эйнштейна очень сложны и в отличии от уравнений максвеловской электродинамики нелинейны. Поэтому получить физически прозрачное точное решение для гравитационной волны нелегко, трудно даже определить однозначный критерий её существования и, тем более, дать полную постановку задачи на излучение.

Несколько определённей выглядит ситуация с заведомо слабыми гравитационными волнами, которые представляются чем-то вроде небольшой колебательной ряби на фоне данной геометрической структуры пространства-времени. Физический анализ здесь много проще, но приближения есть приближения, оценки их пригодности - тоже очень непростое дело. Разумеется, всё рассуждения крайне сократились бы, заготовь природа какой-нибудь источник, доступный прямому и достаточно простому эксперименту. Слишком мал поток энергии, который могут давать более или менее понятные источники гравитационных волн.

Для системы Солнце-Юпитер излучаемая мощность достигает всего лишь нескольких сотен ватт, а длина волны - 2 парсека ( 1 парсек ~ 3 световых года). Гораздо сильней излучают тесные системы двойных звёзд - их гравитационная светимость достигает 2х10²⁵ Ватт, т.е. нескольких процентов от общей светимости Солнца (L_солнца - 3,8х10²⁶). Юпитер близок, но даёт слишком малую мощность, двойные звёзды неплохо излучают гравитационные волны, но, увы, слишком далеки - поток от конкретной пары вряд ли доступен регистрации. Общий поток гравитационного излучения 20 миллионов двойных звёзд нашей галактики вблизи поверхности Земли не превышает 10 -10 Вт/м²(попробуйте уловить 1 ватт мощности, рассеянный по площадке со стороной 100 км!).

Наряду с такими стационарными излучателями большую роль могут играть импульсные вспышки, связанные с внезапными сближениями и даже столкновениями звёзд в скоплениях и особенно в центральных областях галактик. Например, при прямом столкновении двух звёзд типа Солнца около 1/800 части их суммарной части может выделиться в импульс гравитационного излучения - за очень небольшое время выделится до 4,5х10⁴⁴ Дж энергии.

Гораздо эффективней двойных звёзд должны испускать гравитационные волны такие космические объекты как пульсары, квазары и чёрные дыры. При не слишком сильных допущениях гравитационная светимость несколько деформированной вращающейся нейтронной звезды может достигать 10³¹ Вт, то есть порядка пятой части общей светимости.

Ещё более впечатляющая картина вырисовывается при взрывах квазаров. Для взрыва с характерным энерговыделением 10⁵² Джоулей за время порядка трёх лет гравитационная светимость достигает 10³⁸ Ватт. Это, пожалуй, превышает полную светимость звёзд обычной галактики. Другой не менее эффективный механизм мощнейшего гравитационного импульса - слияние чёрных дыр, когда в излучение переходит 30% их массы. Кроме анализа таких астрофизических источников ведётся активный поиск излучателей земного (желательно даже лабораторного) масштаба - от взрывов атомных бомб и сверхмощных лазерных импульсов до обычных вращающихся стержней и пульсирующих оболочек. Разумеется, чисто лабораторный эксперимент во многих отношениях удобней. Он даёт возможность более подробного изучения явления за счёт регулировки параметров источника. С астрофизической точки зрения в этом плане мы бессильны - звёзды излучают, когда им хочется и так, как можется, не слишком считаясь с нашими интересами. С другой стороны, все до сих пор изученные методы искусственной генерации страдают одним общим недостатком: они ведут к очень ограниченным мощностям. В этой связи было бы очень любопытно поискать пути к усилению гравитационного излучения за счёт каких либо когерентных систем излучателей - в духе лазерного эффекта в оптике. К сожалению, аналогия повисает здесь над ущельями многих и многих неясностей.

Убедившись в том, что гравитационное излучение способно возникнуть во многих случаях, обратимся к одной из историй его "открытия". Дело в том, что уже в 1969 году американский физик Дж. Вебер опубликовал сообщение о регистрации новых волн. В качестве детектора Вебер использовал полутораметровый алюминиевый цилиндр радиусом 30 см и массой в полторы тонны. Цилиндр максимально изолировался от случайных воздействий- его подвешивали на проволочных креплениях в вакууме. Собственные колебания цилиндра с частотой 1661 Герц после возбуждения затухали примерно за 10 секунд, то есть он успевал совершить до 100 000 колебаний. Чувствительность детектора была столь велика, что он мог регистрировать сокращение длины волны порядка 10^-15 см. Механические колебания, вызванные каким-то внешним импульсом, преобразовывались в электрические сигналы специальными пьезоэлектрическими датчиками, укреплёнными посреди цилиндра. Совершенно такая же регистрирующая система была установлена за 1000 км в другой лаборатории (один из цилиндров находился в лаборатории Мэрилендского университета, другой - недалеко от Чикаго, в Аригонской национальной лаборатории). Вскоре после начала опытов Вебер отметил, что в обоих цилиндрах в среднем раз в две недели одновременно возникают колебания, и никаких причин, кроме возможной регистрации новых волн, для этих колебаний не видно. Более того, Вебер рассчитал местонахождение источника излучения - где-то в центре Галактики.

Публикация результатов прозвучала сенсационно и в то же время вполне реалистически: в неизбежность этого открытия верили более полувека. Трудно назвать ещё хоть одно физическое явление, к открытию которого физики были бы морально готовы в такой степени. Но очень скоро наступил пессимистический момент. Теоретически сообразили, что поток излучения, зарегистрированного приборами Вебера (10^-3-10^-1), слишком велик - необходимо ещё придумать источник, способный к столь сильной генерации. Если бы центр Галактики излучал именно так, то он попросту высветился бы в форме гравитационных волн примерно за 10 миллионов лет, что в 1000 раз меньше минимально допустимого возраста Галактики. Так родилась любопытнейшая проблема - что именно зарегистрировано в опытах Вебера? По этому формулировались самые разные гипотезы, но окончательной ясности так и нет.

Ясно только, что официальное открытие гравитационных волн ещё не состоялось. Вебер сделал шаг в нужном направлении, но его данные пока нельзя интерпретировать так, как хотелось бы. Тем более что прокатившаяся по всему миру "гравитационно-волновая лихорадка", сопровождавшаяся ещё более прецизионными измерениями, дала обескураживающие результаты. Ни одна лаборатория не смогла нечто даже близко напоминающее веберовские движения.

Поиски гравитационных волн ещё продолжаются, а может уже, когда вы читаете эти строки, и обнаружены. Для этого прилагаются самые серьёзные усилия. Дело в том, что эти волны с большой степенью вероятности должны нести информацию о самых ранних эпохах космологической эволюции. Из-за слабости взаимодействия гравитационные волны очень рано отрываются от остальных видов материи, и с их помощью мы смогли бы заглянуть едва ли не Сингулярность (то сжатое и горячее состояние, в котором находилось всё вещество 12 миллиардов лет назад до Большого взрыва), во всяком случае, по современным представлениям, ни один иной реликт не способен рассказать о состоянии Вселенной в это время. Таким образом, они даёт абсолютный хронологический зонд, несут на себе отпечаток самой ранней истории, включая Первовзрыв.

Распространяясь в космическом пространстве, гравитационные волны опять-таки из-за предельно слабого взаимодействия с веществом способны настолько проникать вовнутрь плотных небесных тел, насколько это вообще возможно. Гравитационная астрономия выявила бы такие детали строения Вселенной, которые, видимо, никакими иными путями не добыть. Особо важно в этом отношении зондирование самых активных областей - ядер галактик и квазаров, которые практически недоступны наблюдениям другими средствами. Между тем, там спрятаны наиболее мощные энергетические источники. Гравитационная карта неба должна весьма радикально отличаться от электромагнитной, полученной в диапазоне оптических и радиоволновых наблюдений. И возможно, мы пока совсем поверхностно оцениваем общую яркость ряда объектов - как раз в гравитационной области они и могут оказаться особенно яркими. Трудно избежать и предположения о том, что только наблюдения гравитационного излучения откроют путь к области экстремально высоких светимостей, близких к планковскому пределу, т.е. той светимости, которая является предельной, точно также как и скорость света является максимальной скоростью взаимодействия.

Наконец, очень важно, что, исследуя гравитационные волны, мы вплотную подошли бы к решению задачи квантования гравитации. Опыт работы в области электродинамике показывает, что именно через волновую теорию проще всего прорваться к обнаружению корпускулярной структуры поля (состоящей из частиц). В электродинамике этот процесс привёл к теории фотонов. При квантировании гравитационного поля должны были появиться особые частицы - гравитоны. Теоретики изобрели их сразу же, как только были получены соответствующие решения волновых уравнений слабого гравитационного поля. Работа шла по аналогии с квантовой электродинамикой, но, к сожалению, без соответствующей экспериментальной основы.

Были построены простейшие модели взаимодействия гравитонов с другими частицами. Выяснилось, что, например, электрон и позитрон могут, в принципе, аннигилировать в пару гравитонов, а гравитон в поле звезды - рождать пару - частицу и античастицу. Отсюда, естественно, возникло предположение, что процессы такого рода и составляют микроскопическую основу взаимосвязи материи с геометрией пространства-времени, взаимосвязи, которая лишь в очень усреднённой форме отражается классическими уравнениями Эйнштейна. Возможно, именно понимание гравитации, гравитационных волн и гравитонов лягут в основу новой картины мира, мира связи пространства, материи и времени.