Гравитационные волны — загадка современной физики
Поиск гравитационных волн — это одна из крупнейших проблем современной физики. Согласно общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну. Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта.
Ввиду слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.
Если ОТО верна и гравитационные волны действительно существуют, то наиболее сильными и достаточно частыми их источниками являются катастрофы, связанные с коллапсами массивных двойных систем в ближайших галактиках, например столкновения черных дыр или нейтронных звезд. При вращении вокруг общего центра масс такая система теряет энергию за счет излучения гравитационных волн. Этот процесс обычно длится несколько миллионов лет, и излучение достаточно слабое. В результате объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение — рябь «пространства-времени» — уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50% от массы системы.
Из всех гравитационных телескопов, работающих на Земле, наибольшей чувствительностью обладает расположенная в США лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Эта обсерватория состоит из двух Г-образных систем, образованных двумя плечами по 4 км каждое. Гравитационная волна обладает свойством изменения метрики, то есть, попав на прибор, она изменит длину плеча каждой из систем, и лазерный интерферометр зафиксирует это изменение.
Гравитационная волна — предположительно существующее (предсказываемое общей теорией относительности) возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, предположительно распространяющаяся со скоростью света. Уравнения Эйнштейна имеют решения волнового типа, представляющие собой движущееся со скоростью света возбуждение метрики пространства-времени. Слабая (линейная) гравитационная волна, согласно ОТО, считается поперечной и описывается двумя независимыми компонентами (имеет две поляризации).
Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора то есть ~ma. Однако, если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m1a1 = --m2a2. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они существенно взаимно гасятся. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения.
Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения — примерно 5 киловатт, таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.
Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:
— сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
— гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе).
Двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации. При вращении вокруг общего центра масс такая система теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн. Этот процесс обычно длится несколько миллионов лет и излучение достаточно слабое. В результате объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50 % от массы системы.
Впервые существование гравитационных волн было косвенно доказано Р. Халсом и Дж. Тейлором при изучении пульсара PSR B1913+16. За это открытие они были награждены Нобелевской премией по физике в 1993 году.
Согласно ОТО, гравитационные волны, образующиеся, например, в результате слияния двух чёрных дыр где-то во Вселенной, вызовут чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между пробными частицами, вследствие колебания самого пространства, которое и будут регистрировать детекторы.
Наиболее распространены два типа детекторов гравитационных волн. Один из типов, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967, представляет собой гравитационную антенну — как правило, это металлическая массивная болванка, охлаждённая до низкой температуры. Размеры детектора при падении на него гравитационной волны изменяются, и если частота волны совпадает с резонансной частотой антенны, амплитуда колебаний антенны может стать настолько большой, что колебания можно детектировать. В пионерском эксперименте Вебера антенна представляла собой алюминиевый цилиндр длиной 2 м и диаметром 1 м, подвешенный на стальных проволочках; резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, амплитудная чувствительность пьезодатчиков - 10-16 м. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, и сообщил об обнаружении сигнала, источником которого с наибольшей вероятностью был центр Галактики. Однако независимые эксперименты не подтвердили наблюдений Вебера. Из действующих в настоящее время детекторов по такому принципу работает сферическая антенна MiniGRAIL (Лейденский университет, Голландия), а также антенны ALLEGRO, AURIGA, EXPLORER и NAUTILUS.
В другом типе экспериментов по детектированию гравитационных волн измеряется изменение расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. В двух длинных (длиной в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Лазерный луч расщепляется, идёт по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга (деструктивно интерферируют), и освещённость фотодетектора оказывается нулевой. Но стоит лишь какому-нибудь из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (причём речь идёт о расстоянии на порядки меньше световой волны — о тысячных долях размера атомного ядра), как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. В настоящее время гравитационные телескопы такого типа работают в рамках американо-австралийского проекта LIGO (наиболее чувствительный), немецко-английского GEO600, японского TAMA-300 и итальянского VIRGO.
Разрабатывается эксперимент LISA, в котором лазерный интерферометр будет находиться в космосе, с длиной плеча 5 млн км и чувствительностью к сдвигу пробных масс 20 пм.
При регистрации гравитационной волны, распространяющейся, согласно ОТО, со скоростью света, это расстояние даст задержку в регистрации сигнала в 10 миллисекунд, что позволит определить направление на источник волны. Одна из систем находится в Ливингстоне, а другая — в Хэнфорде.
Гравволны: оставайтесь с нами
Проект LIGO был основан в 1992 году, а наблюдения обсерватория начала с 2002 года.
До сих пор LIGO не смогла зарегистрировать ни одной гравитационной волны космического происхождения.
На текущей неделе профессор Краусс снова всколыхнул научную общественность, а вместе с ней и мировые СМИ. В своем микроблоге в сети Twitter он написал, что получил подтверждение своих старых слухов из независимых источников.
My earlier rumor about LIGO has been confirmed by independent sources. Stay tuned! Gravitational waves may have been discovered!! Exciting.
— Lawrence M. Krauss (@LKrauss1) January 11, 2016Чем вредит профессор Краусс
Отдел науки «Газеты.Ru» получил официальные комментарий ученых, участвующих в проекте.
Помощник Габриелы Гонсалес Марко Кавалья сообщил, что коллеги в LSC обеспокоены тем, что профессор Краусс создает ложные ожидания общественности и СМИ.
Почему все нужно перепроверить
Может ли быть, что гравитационные волны действительно найдены? В случае если это произошло, результаты, безусловно, будут представлены не в микроблоге ученого, не имеющего отношения к проекту, а на научной конференции и в научной публикации.
Кроме того, все данные следует тщательно перепроверить.
Физики еще помнят, как коллаборация OPERA зарегистрировала движение нейтрино со скоростью больше скорости света, что оказалось эффектом от неправильной работы осциллятора, передающего временную информацию для синхронизации с GPS, и разъема оптоволоконного кабеля, по которому внешний сигнал GPS передавался к главным часам эксперимента OPERA.
В течение года это открытие было опровергнуто: оказалось, что астрономы приняли за гравитационные волны поляризованную пыль Млечного Пути.
Наконец, из последнего подобного казуса можно вспомнить открытие перитонов — коротких всплесков в радиодиапазоне, происхождение которых оставалось неясным и которые фиксировал радиотелескоп в Парксе. Как удалось выяснить ученым, перитоны наблюдались на радиотелескопе в тот момент, когда сотрудники обсерватории открывали дверцу работающей микроволновки.
