Гравитационные волны (гравитаци­онное излучение)

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ (гравитационное излучение), колебательное изменение гравитационного поля, распространяющееся от источника в пространстве с фундаментальной скоростью с, равной скорости распространения света. Источником гравитационных волн являются любые массы, движущиеся с переменным ускорением. Подобно электродинамике, предсказывающей существование не связанного с зарядами свободного электромагнитного поля - электромагнитных волн, релятивистская теория гравитации - общая теория относительности (ОТО) - предсказывает существование не связанного с массами свободного гравитационного поля - гравитационных волн. Воздействуя на тела, гравитационные волны, имеющие энергию и импульс, должны вызывать относительное смещение их частей (деформацию). На этом явлении основаны попытки обнаружения гравитационных волн, однако до сих пор они не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и очень слабого взаимодействия с веществом.

В отличие от электродинамики, в ОТО нет положительных и отрицательных зарядов [все гравитационные заряды (массы) притягиваются друг к другу], причём гравитационная масса равна инертной для всех тел (этот опытный факт называется принципом эквивалентности). Поэтому не существует дипольных гравитационных излучателей, а есть только квадрупольные, которые можно представить как два близко расположенных диполя, которые частично «гасят» друг друга. Мощность W излучения источника (т. е. нескольких движущихся масс) пропорциональна квадрату третьей производной по времени t от квадрупольного момента этой группы масс:

W = G(d³D_ik/dt³)²/ 45с⁵,                        ( 1 )

где G - гравитационная постоянная, D_ik- компоненты квадрупольного момента масс.

В лаборатории на Земле можно создать лишь источники гравитационных волн весьма малой мощности. Например, если вращать стальной цилиндр массой 1 тонна вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра, со скоростью, при которой центробежные натяжения близки к разрывным, то мощность гравитационного излучения не превысит 10^-30 Вт.

Основными источниками гравитационных волн являются астрофизические объекты и явления, такие как двойные звёздные системы, быстровращающиеся пульсары, столкновения нейтронных звёзд или чёрных дыр, взрывы сверхновых и др. Движущиеся близко друг к другу массивные астрофизические объекты могут быть источником мощного гравитационного излучения. Так, например, двойная звезда ι-Волопаса, две компоненты которой имеют массы порядка массы нашего Солнца, испускает гравитационное излучение мощностью порядка 2·10²³ Вт с периодом около 3 ч. Эта мощность равна примерно 0,1% мощности всего электромагнитного излучения нашего Солнца. Звезда ι- Волопаса отстоит от Солнца на расстоянии 4·10¹⁷ м, и плотность потока мощности гравитационного излучения от неё вблизи Земли порядка 10-15 Вт/м².

Открытие в 1972 году двойных нейтронных звёзд (компактных звёзд радиусом около 10 км и массой порядка массы Солнца) позволило проверить справедливость формулы (1): энергия на гравитационное излучение черпается парой звёзд из статической энергии их ньютоновского притяжения. В результате звёзды сближаются и, соответственно, сокращается период обращения вокруг общего центра масс звёзд. Прецизионные измерения темпа сокращения периода обращения этих нейтронных звёзд подтвердили справедливость формулы (1) с точностью ±2% (Дж. Тейлор, Р. Халс, Нобелевская премия, 1993).

Ещё более мощным источником гравитационного излучения должны быть астрофизические катастрофы. Например, при слиянии двух нейтронных звёзд всплеск гравитационного излучения должен иметь полную энергию около 10^-2Мс² (где М - масса звезды), то есть около 10⁴⁵ Дж. Продолжительность такого всплеска несколько секунд, в течение которых частота гравитационных волн изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен Гц, а амплитуда сначала плавно нарастает, достигая максимума на частоте около 500 Гц, а затем резко убывает. Астрофизический прогноз таких событий - одно слияние примерно один раз в 10⁴ лет в одной галактике. В сфере радиусом R = 10²⁴ м (т. е. около 100 миллионов световых лет) содержится в среднем 10⁵ галактик. Поэтому наземный наблюдатель может ожидать пролёт вблизи Земли одного всплеска гравитационных волн, образованного от слияния нейтронных звёзд, примерно 1 раз в месяц.

Регистрация всплеска гравитационных волн - одна из целей программы нескольких проектов наземных гравитационных антенн, разрабатываемых в более чем 20 лабораториях разных стран. Кроме обнаружения и изучения формы всплесков, предполагается обнаружить и другие гравитационно-волновые сигналы. Основной элемент гравитационной антенны - две пробные массы, разнесённые на значительное расстояние L. Градиент ускорений создаёт разницу ускорений одной массы относительно другой. Эта разница ускорений порождает относительные колебания одной массы относительно другой. Амплитуда этих колебаний ΔL≈hL/2, где h - безразмерная амплитуда волны, которая может быть рассчитана из плотности потока мощности. Для приведённого выше примера всплеска излучения от слияния нейтронных звёзд, произошедшего от Земли на расстоянии 100 миллионов световых лет, величина h≈ 10^-21.

В самом большом международном проекте LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory - Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) величина L = 4 км, роль пробных масс играют оптические зеркала массой 20 кг, свободно подвешенные в вакууме. Эти зеркала образуют оптические резонаторы Фабри-Перо, входящие в состав высокочувствительного лазерного интерферометра. В 2006 году на этой антенне достигнута чувствительность, близкая к h≈10^-21, чему соответствует ΔL ≈2·10^-18 м. Колебания одного зеркала относительно другого с таким разрешением регистрируются высокочувствительным лазерным интерферометром за несколько миллисекунд. В ближайшие годы планируется довести чувствительность антенн LIGO до h ≈ 10^-22 (т. е. измерять колебания одного зеркала относительно другого с разрешением ΔL≈2·10^-19 м). В проекте LIGO, кроме прямой регистрации гравитационных волн от слияния нейтронных звёзд, в результате наблюдений можно оценить популяцию нейтронных звёзд во Вселенной, а по форме всплеска получить информацию об их внутренней структуре и уравнение состояния вещества внутри таких звёзд. Кроме всплесков от слияния нейтронных звёзд, можно также ожидать обнаружения гравитационных волн от взрыва сверхновых звёзд и от несимметричных пульсаров.

В 2004 году начались предварительные исследования по созданию космической лазерной гравитационной антенны (международный проект LISA: Laser Interferometer Space Antenna), в которой пробные массы расположены на спутниках, удалённых друг от друга на расстояние L≈5 миллионов км. Предполагается осуществить этот проект в частотном диапазоне от 10^-2 до 10^-5 Гц. С помощью таких антенн, возможно, удастся зарегистрировать гравитационное излучение от источников с расстояний, близких к космологическим (т.е. R≈3·10²⁶ м).

Лит.: Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. М., 1977. Т. 1-3; Брагинский В. Б. Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. Вып. 7.