Откуда берутся гравитационные волны?

Гравитационные волны — горячая тема в СМИ и на новостных сайтах. Эти «рябь на ткани пространства-времени» несут гораздо больше информации о Вселенной, чем могут дать электромагнитные волны, потому что их распространение практически не нарушено. Благодаря им мы можем познакомиться с горячими началами т.н. ранняя вселенная.

При упоминании названия обычно на ум приходит образ морской волны или в лучшем случае что-то похожее на электромагнитную волну. Однако на самом деле это понятие совсем другое.

Немного истории

В то время как на рубеже девятнадцатого и двадцатого столетий даже у самых выдающихся физиков была проблема с принятием концепции волны как распространяющегося возмущения поля (как показывает, среди прочего, гипотеза эфира, являющегося центром распространения электромагнитные волны), здесь мы имеем дело с возмущением самого пространства-времени. Что это значит? В 1915 году была опубликована общая теория относительности (ОТВ). Уже десятью годами ранее его специальная теория относительности (СТО), отвергшая понятие эфира и принявшая постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах, независимо от скорости наблюдателя, успела взбудоражить научную общественность и спровоцировать первоначальное отвращение к этой идее. Однако ее обобщение (или ООТ), направленное на примирение гравитации с теорией относительности, представлялось еще более радикальным шагом.

Согласно OTW, гравитация — это не ньютоновская сила, а результат самой геометрии пространства-времени. Это означает, что, например, вращение Земли вокруг Солнца обусловлено кривизной «сцены», на которой оно происходит, и Земля движется по так называемому геодезическая кривая, т.е. кратчайшая (или длиннейшая) возможная дорога. Конечно, источником этой кривизны является распределение масс или энергии во Вселенной и мы получаем специфическую связь — материя искривляет пространство-время, что вызывает изменение движения материи.

Мы можем представить его как резиновую, натянутую, плоскую поверхность, на которой у нас есть «ямочка», созданная лежащим тяжелым мячом. Теперь зададимся вопросом — что будет, если мы будем поднимать и опускать этот шар? Тогда на этой резиновой поверхности появятся волнообразные возмущения, зависящие от поверхностного натяжения и других факторов. Это правда, что мы не можем сделать это во Вселенной, но если мы очень быстро изменим положение массы или энергетического скопления, то мы сможем произвести нечто подобное.

Вот как в обзоре можно представить концепцию гравитационных волн.

Немного теории и истории

Теоретическая работа, правильно описывающая гравитационные волны (независимо от выбранной системы координат и определенного пространства-времени) посредством Феликс Пирани она не появлялась до 1956 года, через сорок лет после того, как Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование этих волн. Однако это прошло незамеченным в научном сообществе, так как все его внимание было сосредоточено на том, несут ли эти гравитационные волны энергию. Это был один из ключевых вопросов, потому что концепция волны приравнивается к переносу энергии без переноса материи. Однако через год эта проблема была решена Richarda Feynmana (так называемый) со следующим мысленным экспериментом (который также часто использовал сам Эйнштейн) на конференции в Чапел-Хилл. В общем случае, когда гравитационная волна проходит через две фиксированные точки, она никак не влияет на их положение — меняется только расстояние между ними из-за соответствующей деформации пространства.

Иллюстрация аргумента Фейнмана из конференции в Чапел-Хилл (источник: https://goo.gl/oB5M8g)

Итак, давайте представим самые простые из возможных таких волн — жесткий стержень, на котором у нас есть шероховатые бусины. При прохождении гравитационной волны длина жесткого стержня не меняется за счет атомных сил. Поскольку шарики могут свободно перемещаться вдоль стержня, расстояние между ними меняется по мере распространения волны, заставляя их тереться о стержень и выделять тепло. Это тепло было создано при прохождении гравитационной волны, а это значит, что сама волна должна нести энергию.

Решив этот вопрос, астрофизик Джозеф Вебер он начал строить первый детектор гравитационных волн. Его конструкция вошла в историю как цилиндр Вебера. По словам его создателя, он уловил первые гравитационные волны в 1969 году и регистрировал регулярные сигналы до конца того же года. Чтобы устранить локальные вибрации и другие факторы, зависящие от местоположения, Вебер разместил два детектора на расстоянии примерно 1000 км друг от друга — в Чикаго и Мэриленде соответственно.

Один из известных детекторов Вебера (источник: https://goo.gl/xIk1Yl)

Частота принимаемых волн тогда ставила под сомнение достоверность их обнаружения по двум причинам. Во-первых, он показал потерю энергии через Млечный Путь, что не соответствовало его возрасту. Во-вторых, другие экспериментальные группы не обнаруживали никакого сигнала почти до конца 70-х годов.

В 1979 году была опубликована научная статья, содержащая измерения увеличения времени цикла системы из двух пульсаров, обозначенных как PSR1913+16. Пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды, которые периодически излучают электромагнитные волны. В связи с тем, что такая система также излучает гравитационные волны, энергия для их излучения получается из энергии орбитального движения, а это означает, что со временем их скорости начинают уменьшаться и, таким образом, время обращения медленно увеличивается. Это открытие, ради которого Расселл Алан Халс и Джозеф Хутон Тейлор-младший были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году, это считается первым косвенным свидетельством существования гравитационных волн.

Что может излучать гравитационную волну?

Любое тело с ненулевой массой может стать источником гравитационной волны. Достаточно того, что движение этих тел изменчиво и не является сферически-симметричным или осесимметричным, т. е. одинаковым во всех возможных направлениях. По этой причине одинаково расширяющаяся сфера не излучает гравитационные волны. Последнее условие состоит в том, что отрицательной массы не существует (или, по крайней мере, она еще не открыта) и нельзя построить гравитационный диполь, или пару «положительная масса — отрицательная масса», как и с электрическими зарядами.

Иллюстративное изображение пульсара

(источник: https://goo.gl/BV1QfZ)

Возьмем в качестве примера гантель — если вес вращается вокруг своей оси симметрии, он не будет генерировать гравитационные волны. С другой стороны, если он будет двигаться вокруг своего конца, его движение не будет иметь ни одной из вышеупомянутых симметрий, и такая система будет излучать гравитационные волны.

То же самое верно и для двух вращающихся вокруг звезд. Если они имеют разные массы, они излучают волны, потому что вращаются вокруг своего центра масс. Чем больше массы этих звезд и чем быстрее они вращаются, тем большую мощность гравитационных волн они будут излучать. В случае очень массивных звезд, таких как нейтронные звезды или черные дыры, испускаемое гравитационное излучение может быть очень сильным. Кроме того, важным источником этих волн являются взрывы сверхновых, так как значительная часть вещества звезды выбрасывается в окружающее пространство с огромными скоростями, до 10% скорости света. Излучение гравитационных волн произойдет только в случае асимметричного взрыва. Точно так же, если у нас есть вращающаяся нейтронная звезда, вероятность гравитационного излучения возникнет только в том случае, если на ее поверхности есть неровности. Оказывается, могут быть так называемые холмы высотой до 10 см (они такие низкие из-за очень высокой плотности нейтронного вещества). Тогда такая звезда будет излучать гравитационные волны, пока ее поверхность не станет ровной.

Как их получить?

Может использоваться для обнаружения гравитационных волн двойная система пульсаров. К сожалению, одним из его ключевых недостатков является очень большое расстояние от Земли и относительно редкое появление таких систем. Было бы гораздо удобнее принимать гравитационные волны на Земле или рядом с ней, потому что тогда у нас была бы некоторая временная привязка и легкость обнаружения их источника в космосе. Главная проблема, однако, в том, что их очень трудно наблюдать — когда они достигают Земли, они имеют очень маленькую амплитуду, порядка 10^-21. Это означает, что вам нужно обнаружить их высокочувствительный детектор. Более того, искомый сигнал с такой малой амплитудой может быть скрыт шумами от других источников. Частоты гравитационных волн должны быть в пределах 10^-16-10⁴ Гц. Другая проблема заключается в огромном расстоянии от сильнейших источников гравитационных волн (таких как слияние двух черных дыр), потому что амплитуда волн уменьшается обратно пропорционально расстоянию (то есть вдвое дальше от источника удваивается амплитуда). Теперь мы кратко опишем основные детекторы, которые могут непосредственно регистрировать гравитационные волны.

Резонансные антенны

Фотография сферической резонансной антенны MiniGRAIL (источник: https://goo.gl/RVXDzl)

Напряжения в пространстве, вызванные проходящей гравитационной волной, могут вызывать резонансные колебания большого металлического стержня, защищенного от внешних вибраций. Используемые в настоящее время антенны имеют очень высокую чувствительность из-за криогенного охлаждения. Чем ниже температура, тем меньше случайных колебаний молекул и атомов. Кроме того, в них используются сверхпроводящие системы, использующие квантовую интерференцию, так называемые СКВИД — англ. Примером может служить сферическая антенна MiniGRAIL, состоящая из сферы массой 1150 кг, охлажденной до температуры 20 мК. Его сферическая форма обеспечивает одинаковую чувствительность во всех направлениях. Это важно из-за непредсказуемости направления излучения волн от астрофизических источников, к тому же такая антенна намного проще, чем огромные линейные системы. Описываемый детектор имеет максимальную чувствительность в диапазоне 2-4 кГц, что соответствовало бы нестабильности нейтронных звезд или слиянию черных дыр.

Земные лазерные интерферометры

Эти детекторы используют явление вмешательство, то есть перекрывающиеся волны. При деструктивной интерференции двух волн результирующая волна полностью исчезает, а при конструктивной — волна максимально усиливается. Отсюда следует, что должна быть построена соответствующая система, обеспечивающая движение волн на большие расстояния, ведь удлинение или сжатие, вызываемое гравитационной волной, прямо пропорционально так называемому базовая длина интерферометра. Обычно схема настроена на деструктивную помеху, дающую нулевой сигнал. Однако если через интерферометр пройдет какая-либо гравитационная волна, на выходе будет ненулевой сигнал. Наиболее чувствительной интерферометрической системой является LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory), т.е. лазерная гравитационно-интерферометрическая обсерватория. В этой системе три детектора — один в Ливингстоне (США, штат Луизиана), один в Ричленде (Вашингтон), третий планируется запустить в Индии. Каждый детектор имеет плечо длиной 4 км, в котором движутся фотоны, испускаемые лазером. Это позволяет обнаруживать гравитационные волны с очень малой амплитудой 5·10^-22что соответствует изменению длины плеча на 10^-18 м. Для сравнения, это почти верхний предел размеров электронов и кварков. Из этого ясно следует, что LIGO в настоящее время является самой большой и самой чувствительной обсерваторией, когда-либо построенной на поверхности Земли.

Конструктивная (вверху) и деструктивная (внизу) интерференция двух волн (источник: https://goo.gl/DXJFn8)

Космические интерферометры

Поскольку сама Земля является источником сейсмических колебаний и вносит большой вклад в шум, идея заключалась в том, что взять интерферометр в космос. Такое устройство будет похоже на LIGO, но может быть намного больше. Если бы мы могли освоить технологию строительства таких обсерваторий, мы могли бы свести нарушения к минимуму. Основными проектами космических детекторов являются LISA и DECIGO. Цель проекта LISA (или проекта лазерной интерферометрической космической антенны) состоит в том, чтобы поднять три испытательных груза с помощью лазеров и интерферометров. Они образовали бы в космосе равносторонний треугольник с длиной стороны 5 млн км, что в миллион раз больше, чем у LIGO. К сожалению, построение такого детектора требует решения многих проблем, таких как: тепловые, дробовые шумы (т.е. флуктуации, возникающие в системах с малым количеством частиц-переносчиков энергии и связанные с квантованием электрического заряда, т.е. его зернистой природой) , а также случайные возбуждения, вызванные космическим излучением и солнечным ветром.

Схема космического интерферометра LISA и его положение в Солнечной системе (источник: https://goo.gl/19hp0M)

Последние открытия

11 февраля 2016 года команда LIGO объявила о прямом открытии гравитационных волн на основе сигнала, полученного на 09:50:45 Среднее время по Гринвичу 14 сентября 2015 г. Этот сигнал был получен при слиянии двух черных дыр с массой 29 и 36 солнечных масс соответственно на расстоянии примерно 1,3 миллиарда световых лет от Земли. В течение последних долей секунды высвобожденная мощность более чем в 50 раз превышала мощность всех звезд в наблюдаемой Вселенной. Частота сигнала увеличилась с 35 до 250 Гц в пяти цепях системы, а его интенсивность увеличилась на 0,2 секунды. Масса новообразованной черной дыры составила 62 массы Солнца. Затем энергия, эквивалентная трем солнечным массам, излучалась в виде гравитационных волн. Сигнал регистрировался обоими детекторами LIGO с временным интервалом 7 мс, что обусловлено разницей положения обоих детекторов относительно источника волны. Обнаруженный сигнал пришел из южной части неба, в сторону Магелланова Облака, но источник находился гораздо дальше за ним. Вероятность того, что этот сигнал не был вызван гравитационными волнами, составляет 0,00006%.

Запись прямого обнаружения гравитационных волн в сентябре 2015 г. (источник: https://goo.gl/JAPwse)

Было объявлено о втором прямом обнаружении 15 июня 2016 г. Это наблюдалось при 03:38:53 GMT 23 декабря 2015 г. Анализ полученного сигнала показывает, что это было очередное слияние. При этом излучаемая энергия равнялась одной массе Солнца. Поскольку частоты этих волн находятся в диапазоне слышимых волн, мы можем их слышать, например. продолжая.

Что ты делаешь с нами?

Благодаря очень слабому взаимодействию с веществом гравитационные волны без потерь проходят через области, недоступные для электромагнитных волн. Только они способны наблюдать за слиянием черных дыр и другими возможными экзотическими явлениями в отдаленных уголках Вселенной. Такие случаи невозможно исследовать с помощью обычных инструментов наблюдения, таких как оптические или радиотелескопы. Благодаря этому астрономия гравитационных волн обладает большим потенциалом для расширения наших знаний о Вселенной. Он позволяет, среди прочего космологи рассматривают историю образования Вселенной, насколько это возможно. Этот ранний период не виден в «традиционной» астрономии, потому что до эры излучения (начавшейся через секунду после Большого взрыва) космос был прозрачен для электромагнитных волн. Кроме того, благодаря гравитационным волнам можно еще точнее проверить общую теорию относительности и проверить ее предсказания. Можно сослаться на статью от декабря 2016 года, опубликованную в престижном журнале Nature, в которой описывается возникновение «эхо» гравитационных волн на окраинах черных дыр. Возможно, это новый эффект, но ученые пока осторожны и оговариваются, что обнаруженные изменения сигнала могут находиться в пределах статистической погрешности наблюдения. Будем надеяться на скорое разрешение этих сомнений и на дальнейшие сенсационные открытия.