Рябка простору-часу
Гравітаційні хвилі, теоретично передбачені Ейнштейном ще в 1917 році, все ще чекають свого першовідкривача.
Однак незабаром настало розчарування. Амплітуди хвиль, нібито зареєстрованих Вебером, у мільйони разів перевищували теоретичну величину. Вебер стверджував, що ці хвилі прийшли із закритого пиловими хмарами центру нашої Галактики, про який тоді мало що відомо. Астрофізики припустили, що там ховається гігантська чорна діра, яка щорічно пожирає тисячі зірок і викидає частину поглиненої енергії у вигляді гравітаційного випромінювання, а астрономи зайнялися марним пошуком більш виразних слідів цього космічного канібалізму (зараз доведено, що чорна діра там себе цілком пристойно). Фізики зі США, СРСР, Франції, Німеччини, Англії та Італії розпочали експерименти на детекторах того ж типу – і не досягли нічого.
Що таке хвилі тяжіння
Часто кажуть, що гравітаційні хвилі – це поширення у просторі обурення поля тяжіння. Таке визначення правильне, але неповно. Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння виникає через викривлення просторово-часового континууму. Хвилі тяжіння – це флуктуації просторово-часової метрики, які виявляють себе як коливання гравітаційного поля, тому їх часто образно називають просторово-часовою брижами. Гравітаційні хвилі були 1917 року теоретично передбачені Альбертом Ейнштейном. В існуванні їх ніхто не сумнівається, але гравітаційні хвилі все ще чекають свого першовідкривача.
Джерелом гравітаційних хвиль є будь-які рухи матеріальних тіл, що призводять до неоднорідної зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Що рухається з постійною швидкістютіло нічого не випромінює, оскільки характер його поля тяжіння не змінюється. Для випромінювання хвиль тяжіння потрібні прискорення, але не будь-які. Циліндр, який обертається навколо своєї осі симетрії, зазнає прискорення, проте його гравітаційне поле залишається однорідним, і хвилі тяжіння не виникають. А от якщо розкрутити цей циліндр навколо іншої осі, поле стане осциллювати, і від циліндра на всі боки побіжать гравітаційні хвилі.
Цей висновок стосується будь-якого тіла (або системи тіл), несиметричного щодо осі обертання (у таких випадках говорять, що тіло має квадрупольний момент). Система мас, квадрупольний момент якої змінюється згодом, завжди випромінює гравітаційні хвилі.
Основні властивості гравітаційних хвиль
Астрофізики припускають, що випромінювання гравітаційних хвиль, відбираючи енергію, обмежує швидкість обертання масивного пульсара при поглинанні речовини сусідньої зірки.
-
У порожньому просторі вони поширюються зі швидкістю світла. Більше того, ця швидкість практично завжди зберігається при зустрічі з матеріальними об'єктами, тому гравітаційні хвилі не зазнають заломлення. Екстремально надщільне речовина здатне зменшити швидкість гравітаційних хвиль, але в інших випадках цей ефект дуже малий. Амплітуди хвиль тяжіння згасають при віддаленні від джерела, проте не падають до нуля: хвиля тяжіння, що одного разу виникла, у певному сенсі приречена на вічне життя. Зокрема, Всесвіт має бути пронизаний реліктовими хвилями, успадкованими від інфляційної фази. У них закодовано інформацію про будову «зародкового» Всесвіту, який, щоправда, ще треба примудритися розшифрувати.
Гравітаційні маяки космосу
Гравітаційне випромінювання земних джерелнадзвичайно слабко. Сталева колона масою 10 000 тонн, підвішена за центр горизонтальній площині і розкручена навколо вертикальної осі до 600 об./хв, випромінює потужність приблизно 10 –24 Вт. Тому єдина надія виявити хвилі тяжіння – знайти космічне джерело гравітаційного випромінювання.
У цьому плані дуже перспективні тісні подвійні зірки. Причина проста: потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає у зворотній пропорції до п'ятого ступеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зірок сильно витягнуті, тому що при цьому зростає швидкість зміни квадрупольного моменту. Дуже добре, якщо подвійна система складається з нейтронних зірок або чорних дірок. Такі системи подібні до гравітаційних маяків у космосі – їх випромінювання має періодичний характер.
У космосі існують і «імпульсні» джерела, що породжують короткі, але надзвичайно потужні гравітаційні сплески. Подібне відбувається при колапсі масивної зірки, що передує вибуху наднової. Однак деформація зірки має бути асиметричною, інакше випромінювання не виникне. Під час колапсу гравітаційні хвилі можуть забрати з собою до 10% повної енергії світила! Потужність гравітаційного випромінювання у разі становить близько 10 50 Вт. Ще більше енергії виділяється при злитті нейтронних зірок, тут пікова потужність досягає 1052 Вт. Чудове джерело випромінювання - зіткнення чорних дірок: їх маси можуть перевищувати маси нейтронних зірок у мільярди разів.
Ще одне джерело гравітаційних хвиль – космологічна інфляція. Відразу після Великого вибуху Всесвіт почав надзвичайно швидко розширюватися, і менше ніж за 10 -34 секунди його діаметр збільшився з 10 -33 см до макроскопічного розміру. Цей процес незмірно посилив гравітаційні хвилі,що існували до його початку, та їх нащадки збереглися досі.
Непрямі підтвердження
Перший доказ існування хвиль тяжіння пов'язаний із роботами американського радіоастронома Джозефа Тейлора та його студента Расселла Халса. У 1974 році вони виявили пару нейтронних зірок, що звертаються один навколо одного (випромінює в радіодіапазоні пульсар з мовчазним компаньйоном). Пульсар обертався навколо своєї осі зі стабільною кутовою швидкістю (що буває далеко не завжди) і тому служив виключно точним годинником. Ця особливість дозволила виміряти маси обох зірок та з'ясувати характер їхнього орбітального руху. Виявилося, що період обігу цієї подвійної системи (близько 3 год. 45 хв) щорічно скорочується на 70 мкс. Ця величина добре узгоджується з рішеннями рівнянь загальної теорії відносності, що описують втрату енергії зоряної пари, зумовлену гравітаційним випромінюванням (втім, зіткнення цих зірок станеться нескоро через 300 млн років). В 1993 Тейлор і Халс були удостоєні за це відкриття Нобелівської премії.
Гравітаційно-хвильові антени
Як виявити гравітаційні хвилі експериментально? Вебер використовував як детектори суцільні алюмінієві циліндри метрової довжини з п'єзодатчиками на торцях. Їх максимально ретельно ізолювали від зовнішніх механічних впливів у вакуумній камері. Два таких циліндри Вебер встановив у бункері під полем для гольфу Мерілендського університету, і один – в Аргоннській національній лабораторії.
Ідея експерименту проста. Простір під впливом гравітаційних хвиль стискається і розтягується. Завдяки цьому циліндр вібрує в поздовжньому напрямку, виступаючи як гравітаційно-хвильова антена, а п'єзоелектричні кристали переводять вібрації в електричні.сигнали. Будь-яке проходження космічних хвиль тяжіння практично одночасно діє на детектори, рознесені на тисячу кілометрів, що дозволяє відфільтрувати гравітаційні імпульси від різноманітних шумів.
Веберівські датчики були в змозі помітити усунення торців циліндра, рівні всього 10 –15 його довжини – у разі 10 –13 див. . Усі спроби повторити ці результати виявилися марними. Дані Вебера до того ж суперечать теорії, яка практично не дозволяє очікувати відносних зсувів вище 10 -18 (причому набагато вірогідніше значення менше 10 -20). Не виключено, що Вебер наплутав під час статистичної обробки результатів. Перша спроба експериментально виявити гравітаційне випромінювання закінчилася невдачею.
Надалі гравітаційно-хвильові антени значно удосконалили. У 1967 році американський фізик Білл Фейрбанк запропонував охолоджувати їх у рідкому гелії. Це не тільки дозволило позбавитися більшої частини теплових шумів, але й відкрило можливість застосування сквідів (надпровідних квантових інтерферометрів), точних надчутливих магнітометрів. Реалізація цієї ідеї була пов'язана з безліччю технічних труднощів, і сам Фейрбанк до неї не дожив. На початку 1980-х років фізики зі Стенфордського університету збудували установку з чутливістю 10 -18, проте хвиль не зареєстрували. Зараз у низці країн діють ультракріогенні вібраційні детектори хвиль тяжіння, що працюють при температурах лише на десяті та соті частки градуса вище за абсолютного нуля. Така, наприклад, установка AURIGA у Падуї. Антенною для неї служить триметровий циліндр із алюмінієво-магнієвого сплаву,діаметр якого становить 60 см, а вага – 2,3 т. Він підвішений у вакуумній камері, що охолоджується до 0,1 К. Його струси (з частотою близько 1000 Гц) передаються на допоміжний резонатор масою в 1 кг, який коливається з такою самою частотою, але набагато більшою амплітудою. Ці вібрації реєструються вимірювальною апаратурою та аналізуються за допомогою комп'ютера. Чутливість комплексу AURIGA – близько 10 –20 –10 –21.
Інтерферометри
Ще один спосіб детектування хвиль тяжіння заснований на відмові від масивних резонаторів на користь світлових променів. Першими у 1962 році його запропонували радянські фізики Михайло Герценштейн та Владислав Пустовойт, а двома роками пізніше і Вебер. На початку 1970-х співробітник дослідницької лабораторії корпорації Hughes Aircraft Роберт Форвард (у минулому аспірант Вебера, надалі вельми відомий письменник-фантаст) побудував перший такий детектор з цілком пристойною чутливістю. Тоді ж професор Массачусетського технологічного інституту (MIT) Райнер Вайс виконав дуже глибокий теоретичний аналіз можливостей реєстрації гравітаційних хвиль за допомогою оптичних методів.
Ці методи припускають використання аналогів приладу, за допомогою якого фізик Альберт Майкельсон 125 років тому довів, що швидкість світла строго однакова в усіх напрямках. У цій установці, інтерферометрі Майкельсона, пучок світла потрапляє на напівпрозору пластинку і поділяється на два взаємно перпендикулярні промені, які відбиваються від дзеркал, розташованих на однаковій відстані від пластинки. Потім пучки знову зливаються і падають на екран, де виникає інтерференційна картина (світлі та темні смуги та лінії). Якщо швидкість світла залежить від його напрямку, то при повороті всієї установки ця картинка має змінитися, якщоні – залишитися такою самою, як і раніше.
Інтерференційний детектор хвиль тяжіння працює подібним чином. хвиля, Що Проходить, деформує простір і змінює довжину кожного плеча інтерферометра (шляхи, по якому світло йде від дільника до дзеркала), розтягуючи одне плече і стискаючи інше. Інтерференційне зображення змінюється, і це можна зареєструвати. Але це непросто: якщо очікувана відносна зміна довжини плечей інтерферометра становить 10 -20, то при настільних розмірах приладу (як у Майкельсона) воно обертається коливаннями амплітудою порядку 10 -18 см. Для порівняння: хвилі видимого світла в 10 трлн разів довше Можна збільшити довжину плечей до кількох кілометрів, проте проблеми все одно залишаться. Лазерне джерело світла має бути і потужним, і стабільним за частотою, дзеркала – ідеально плоскими і ідеально відбивають, вакуум у трубах, якими поширюється світло, – максимально глибоким, механічна стабілізація всієї системи – воістину досконалої. Коротше кажучи, інтерференційний детектор гравітаційних хвиль – прилад дорогий та громіздкий.
Перспективи
Що ж очікує на методи виявлення гравітаційних хвиль у найближчому майбутньому? Про це «Популярній механіці» розповів професор Райнер Вайсс. Зараз вона становить 10 -21 (на частотах близько 100 Гц), а після модернізації перевищить 10 -22. Модернізований комплекс Advanced LIGO в 15 разів збільшить глибину проникнення в космос. У цьому проекті бере активну участь професор МДУ Володимир Брагінський, один з піонерів вивчення гравітаційних хвиль.
На середину наступного десятиліття заплановано запусккосмічного інтерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) з довжиною плечей 5 мільйонів кілометрів, це спільний проект NASA та Європейського космічного агентства. Чутливість цієї обсерваторії буде у сотні разів вищою, ніж можливості наземних інструментів. Вона в першу чергу призначена для пошуку низькочастотних (10 -4 -10 -1 Гц) гравітаційних хвиль, які неможливо вловити на поверхні Землі через атмосферні та сейсмічні перешкоди. Такі хвилі випромінюють подвійні зіркові системи, цілком типові мешканці Космосу. LISA також зможе реєструвати хвилі тяжіння, що виникли під час поглинання чорними дірками звичайних зірок. А ось для детектування реліктових гравітаційних хвиль, що несуть інформацію про стан матерії в перші миті після Великого вибуху, швидше за все, будуть потрібні більш просунуті космічні інструменти. Така установка,Big Bang Observer, зараз обговорюється, проте навряд чи її вдасться створити та запустити раніше ніж через 30–40 років».