Мобильные технологии

Гравитационно-волновой пульс вселенной

Что представляют собой гравитационные волны?

Типы взаимодействий. На сегодняшний день известны четыре типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Основные параметры этих взаимодействий. Хорошо известно, что сильные взаимодействия удерживают нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре атома, а также кварки (составляющие нуклонов) — внутри нуклонов. Сильные взаимодействия близкодействующие, они существенны лишь в пределах ядра, т. е. на расстояниях порядка 10″15 м.

Электромагнитные взаимодействия ответственны за образование атомов и молекул. Электромагнитные силы относятся к дальнодействующим силам.

Слабые взаимодействия характерны для лептонов (класса частиц, которым не присущи сильные взаимодействия, — электронов, мюонов, нейтрино и др.) и барионов (класса тяжелых частиц — протонов, нейтронов, гиперонов и др.). В отличие от других взаимодействий, слабые взаимодействия отвечают не за «скрепление» вещества, а за его разрушение (например, радиоактивный распад). В частности, благодаря наличию слабого взаимодействия в Солнце и других звездах протекают ядерные реакции, выделяется огромное количество энергии.

Гравитационное взаимодействие — дальнодействующее. Оно становится определяющим для больших масс планетарного и космического масштабов. Гравитационные силы исключительно слабые. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в 4,2×1042 раз больше силы их гравитационного притяжения.

Физики давно мечтают о создании единой теории поля, которая бы объединяла все четыре типа взаимодействий. Сначала удалось построить теорию электрослабого взаимодействия, затем теорию Великого объединения, сочетающую в себе электрические, слабые и сильные взаимодействия. В теории Суперобъединения должны присутствовать все типы взаимодействий. Гравитационное взаимодействие, однако, упорно «не соглашается» войти в состав единой теории поля.

Гравитационные силы и взаимодействия впервые были открыты еще во времена Кеплера и Ньютона, однако и теперь остаются наиболее загадочными. До сих пор неясно, существует ли квант гравитационного поля (гипотетический гравитон). Гравитирующая частица имеет одинаковый «заряд». Поэтому наблюдается только притяжение таких частиц. В отличие от электрического диполя, гравитационный диполь невозможен. Справедливости ради необходимо отметить, что около 20 лет назад было обнаружено ускоренное расширение Вселенной, которое связывают с «темной» энергией. Является ли расширение следствием действия антигравитации? На сегодняшний день нет ответа на этот вопрос.

Гоавитационные волны. Все типы взаимодействий имеют конечную скорость его распространения. Не является исключением и гравитационное взаимодействие, Свободное гравитационное поле, не связанное с телом, представляет собой гравитационную волну, которая распространяется со скоростью света. Гравитационные волны (ГВ) генерируются движущимися с переменным ускорением телами (массами).

При достаточно слабых возмущениях ГВ — поперечные, т. е. колебание происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. ГВ содержит две независимые компоненты, расположенные под углом 45° друг к другу, которые определяют два состояния поляризации волны. ГВ переносят энергию и импульс. Воздействуя на тела, эти волны вызывают деформацию тел. На этом свойстве основаны принципы обнаружения (детектирования) ГВ. Их обнаружение было безуспешным в течение примерно полувека. Это связано с крайне малой мощностью волн. Например, для лабораторных источников ГВ их мощность не превышает 10_20Вт. Для сравнения укажем, что эта мощность в тысячу раз меньше мощности света, на которую реагирует человеческий глаз. Для увеличения мощности ГВ в лабораторных условиях необходимо увеличивать массу излучающих тел и скорость изменения ускорения (рывок). Увеличение массы ограничено значениями 1-10 т, а увеличение рывка — разрушением тела.

Причина малой мощности ГВ заключается в малости гравитационной постоянной, которая входит в закон всемирного тяготения Ньютона, а также в уравнения Эйнштейна, описывающие генерацию ГВ. Вторая причина заключается в том, что для ГВ невозможно дипольное излучение, для них реализуется квадрупольное, более слабое, излучение.

Мощность излучения ГВ для двух взаимодействующих тел растет пропорционально пятой степени массы тел, а запас энергии — пропорционально массе в первой степени. Это означает, что при больших массах эффективность излучения ГВ резко возрастает.

Большие массы свойственны космическим объектам. Примерами космических источников ГВ являются: система «звезда-планета», двойные звезды, взрывы сверхновых звезд, столкновения нейтронных звезд, слияние черных дыр, несимметричный коллапс (быстрое сжатие) звезд. Именно от таких источников велся поиск ГВ в течение последних 40-45 лет.

Результаты расчетов. Вращательное движение планет вокруг Солнца (точнее, их движение вокруг общего центра масс) является источником ГВ. Для наибольшей планеты Солнечной системы — Юпитера — мощность излучения составляет 5,2 кВт. При этом оба тела теряют свою энергию и сближаются в радиальном направлении со скоростью 2,5*10~20 м/с. Так что через 2,5*1023 лет Юпитер, израсходовав часть своей энергии, мог бы упасть на Солнце. Этого, однако, не произойдет, так как Солнцу осталось «жить» около 5 млрд лет.

Расчеты показывают, что двойная звезда с массой каждой звезды в 1 000 масс Солнца, находящихся на расстоянии в 100 млн км, излучает ГВ мощностью 3*1029 Вт (энергия этих звезд 3,6*Т060 Дж). Скорость их взаимного сближения составляет 2,5 мм/с. Через 1 млн лет эти звезды должны слиться. При этом в энергию ГВ перейдет лишь около 3*10-8 энергии звезд.

Совсем другая картина ожидается при вращении двух черных дыр вокруг общего центра масс на удалении друг от друга, примерно равном гравитационному радиусу, с орбитальной скоростью, близкой к скорости света. Тогда для тел с массой Солнца (2*1030 кг) гравитационный радиус составляет 3 км, угловая скорость обращения — 105 с~1 (около 16 кГц), мощность излучения — около 1,4*1047 Вт. При суммарной энергии покоя этих тел, равной 3,6*1047 Дж, в энергию ГВ перейдет около 10 % энергии покоя звезд.

Гравитационные волны глазами физика-теоретика. ГВ — возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника, т. е. гравитирующего тела, и распространяющиеся волнообразным способом, вызывая «рябь пространства-времени». Непонятно, не правда ли? Язык физика-теоретика сильно отличается от научно-популярного языка. И все же попробуем объяснить, о чем идет речь. Метрика — математическое понятие, означающее правило (формулу) для определения расстояния между любыми двумя точками заданного пространства или элементами этого множества. Так, в евклидовой (школьной) геометрии кратчайшее расстояние между двумя точками есть отрезок прямой, их соединяющий.

Вселенная не описывается евклидовой геометрией. Все дело в наличии гравитирующих масс. Как показал 100 лет назад А. Эйнштейн в общей теории относительности, гравитирующая материя определяет структуру пространства-времени, эта материя не просто заполняет пространство-время, она его формирует. Материя, пространство и время неразрывно связаны между собой. Тяготеющая материя искривляет пространство-время, изменяет метрику. В таком пространстве кратчайший путь уже не отрезок прямой, а геодезическая линия. В общем случае весьма причудливая линия. Конечно, метрика заметно изменяется лишь при наличии достаточно больших гравитирующих масс.

В рамках общей теории относительности ГВ — решение уравнений Эйнштейна волнового типа, которые представляют собой движущиеся со скоростью света (строго говоря, в линейном приближении) возмущения метрики пространства-времени. Степень искривления пространства-времени количественно характеризуется амплитудой ГВ, которая является безразмерной величиной, численно равной относительному изменению расстояния (относительной деформации). Согласно расчетам, максимальные амплитуды ГВ, порожденные космическими явлениями и астрофизическими процессами, при измерениях в Солнечной системе колеблются в пределах 10″23-10″18.

 

Как это было?

Еще в 1900 г. X. А. Лоренц предположил, что гравитационное взаимодействие «может распространяться со скоростью, не большей скорости света». Термин «гравитационная волна» был введен А. Пуанкаре в 1905 г. Этот же ученый обосновал идею о том, что существование ГВ не противоречит наблюдениям за движущимися телами.

В 1916 г. (ровно 100 лет назад!) А. Эйнштейн создал общую теорию относительности и показал что механическая система, движущаяся с переменным ускорением, будет излучать ГВ. В 1918 г. он продемонстрировал, что интенсивность излучения ГВ обратно пропорциональна скорости света в пятой степени, т. е. является очень низкой.

1920-1930 гг. — период сомнений. Дебатировался вопрос: а могут ли реально существовать гравитационные волны? В их существовании усомнился даже сам А. Эйнштейн.

Вторая мировая война надолго прервала дискуссию о реальности ГВ.

В 1957 г. английский физик Ф. Пирани обосновал возможность детектирования ГВ, а американские физики Г. Бонди и Р. Фейнман — существование физических последствий ГВ. В этом же году на конференции в Chapell Hill имели место бурные дискуссии о реальности ГВ.

В 1962 г. советские ученые В. И. Пустовойт и М. Е. Герценштейн описали принципы использования интерферометров (разнесенных в пространстве антенн и приемников) для обнаружения ГВ.

В 1964 г. теоретики Ф. Петере и Дж. Мэтью рассчитали параметры ГВ, излучаемых двойными системами.

В 1967 г. американский физик У. Фэрбенк предложил детекторы ГВ охлаждать в жидком гелии.

В 1969 г. Дж. Вебер — основатель гравитационно-волновой астрономии — сообщил об обнаружении им ГВ. В качестве детектора ГВ он применил механические гравитационные антенны. В течение 45 последующих лет никому не удавалось подтвердить опыт Дж. Вебера. Его работа, однако, способствовала бурному росту числа публикаций, посвященных ГВ.

В начале 1970-х гг. В. Б. Брагинский (СССР) повторяет эксперименты Дж. Вебера, но тоже неудачно.

К 1972 г. стало ясно, что Дж. Вебер ошибся, ему не удалось поймать ГВ.

В 1978 г. Дж. Тейлор сообщает об обнаружении излучения, порожденного двойной системой пульсара PSR В1913+16.

 

Чем можно обнаружить гравитационные волны?

Прежде чем попасть в радиоприемник, радиоволна проходит через антенное устройство. Здесь происходит преобразование энергии волны в энергию электрического сигнала. Для приема ГВ нужна своеобразная антенна, а также приемник. В качестве гравитационной антенны может выступать любая пара масс (пробных тел) или одно протяженное тело. Гравитационные приемники целесообразно разносить в пространстве на расстояния 1-10 тыс. км. Такую систему именуют гравитационным интерферометром. Роль гравитационного приемника может играть чувствительное устройство, регистрирующее исключительно малые относительные смещения масс или вызывающие их силы. Прием ГВ основан на том, что эти волны взаимодействуют с массивными телами. Чем больше масса гравитационной антенны, тем сильнее будет сигнал на входе и выходе гравитационного приемника. При заданном расстоянии между двумя пробными телами (размере гравитационной антенны) вариации этого расстояния равны произведению расстояния на амплитуду волны. Например, при расстоянии в 4 км и амплитуде ГВ, равной 10~21, укажем, что это в 1 000 раз меньше диаметра атомного ядра. И это при многокилометровой гравитационной антенне. В этом главная сложность обнаружения (детектирования) ГВ. Вторая сложность заключается в том, что амплитуда ГВ убывает обратно пропорционально расстоянию от источника волн. Следующая трудность связана с малой длительностью процесса, в течение которого генерируются ГВ. Например, при взрыве сверхновой звезды длительность всплеска составляет 0,1-1 мс, а при слиянии двух черных дыр — 0,1 с. Наконец, приему ГВ препятствуют помехи — любые сотрясения гравитационной антенны. Чего-чего, а сотрясений на нашей планете хватает. И это не только удаленные землетрясения, от которых непрерывно содрогается планета, это и помехи от наземного и даже воздушного транспорта, а также от промышленных агрегатов и т. д. Кроме временных помех, важную роль играют внутренние помехи — тепловые шумы в гравитационных антеннах. Для уменьшения их роли антенну необходимо охлаждать до температуры в единицы Кельвинов и еще меньше. И это при размерах гравитационной антенны в 1-3 м и ее массе в 3-10 т.

Для измерения исключительно малых смещений пробных масс антенны используют лазерный интерферометр. В этом случае размером антенны является расстояние между двумя пробными телами. Оно может достигать тысяч и более километров.

Комментарии запрещены.