В поисках гравитационных волн

В любом случае до подобных полетов еще далеко. «Частицы гравитации», похоже, – самые неуловимые из элементарных частиц. Пока же ученые пытаются обнаружить другой феномен, связанный с гравитацией, – гравитационные волны.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как «геометрическое искривление динамического пространства‑времени», предсказал их существование. «Волны, эти завитки искривленного пространства‑времени, доносят до нас тайные весточки мироздания – подобно тому, как акустические волны доносят до публики информацию об оркестре», – поясняет известный американский физик Кип Торн.

^{При столкновении черных дыр возникают гравитационные волны. Перед вами компьютерная модель подобной коллизии}

Согласно общей теории относительности, действие гравитации распространяется не мгновенно, а со скоростью света. И, подобно тому, как в электромагнитной теории Максвелла ускоренно движущиеся заряды порождают электромагнитные волны, так и ускоренно движущиеся массы должны создавать гравитационные волны – своего рода «сотрясения», периодические колебания пространства‑времени.

Подобные волны пронизывают пространство, словно сейсмические волны – Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща материи, лежащая на их пути, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн материя, лежащая на их пути, – поясняет Торн, – поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он изменился бы на миг всего… на один диаметр атома.

Попробуйте уловить подобные – неощутимые – колебания! Теоретики убеждают нас в том, что доказать существование гравитационных волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как это сделать, и… кивают на практиков. Только как измерить все эти волны? Порой кажется, что прибор подобной чувствительности построить нельзя. Легко советовать: «Возьмите груз и детектор…»

Легко говорить: «Представим себе мост, выстроенный от Земли до…»

* * *

Астрономы делят источники гравитационных волн на несколько классов.

«Барстеры», кратковременные источники волн, в считанные доли секунды излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают барстеры при взрывах звезд и столкновении черных дыр. Их мощность достигает примерно 10⁴⁵ (десять в сорок пятой степени) ватт.

Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды (пульсары). Для их отслеживания нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров. В 2013 году для наблюдения за этими волнами планируется запустить в космос три зонда (в этом проекте участвуют европейские и американские ученые). В 50 миллионах километров от Земли они образуют равносторонний треугольник с длиной стороны 5 миллионов километров. Точность подобного детектора будет в миллионы раз выше, нежели наземных установок.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также при наложении слабых или очень отдаленных единичных событий. Можно назвать такие процессы, как: 1) столкновения первых звезд, возникших вскоре после Большого Взрыва, 2) процессы, протекавшие в молодой Вселенной и вызвавшие нарушения пространственно‑временной структуры, 3) реликты Большого Взрыва, а также 4) гравитационное торможение – оно наблюдается, когда две звезды пролетают мимо друг друга.

^{2013 году для наблюдения за гравитационными волнами планируется запустить в Космос три зонда}

Подсчитано, что длина гравитационной волны, создаваемая, например, сверхновой звездой, составляет около 300 километров, а частота – порядка 1000 герц. В принципе, эти волны находятся в акустическом диапазоне, но мы не слышим их из‑за их крайне малой амплитуды.

^{В окрестностях Ганновера сооружена установка GEO‑600 для наблюдения за гравитационными волнами}

Американский инженер и физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета еще в конце пятидесятых годов размышлял о том, как измерить «пространственно‑временные завитки». Он же первым стал оборудовать гравитационные детекторы. В его исполнении это были алюминиевые цилиндры длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. Каждый из них весил одну тонну. Когда гравитационная волна пересекает подобный цилиндр, его концы сжимаются и расширяются на неимоверно малую величину. Уэбер пытался измерить эти крохотные осцилляции. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его измерить. Однако ученый потерпел неудачу. Он не сумел зафиксировать эти неуловимые колебания.

Более тридцати лет назад советские ученые Герценштейн и Пустовойт, а также Райнер Вайс из Массачусеттского технологического института предложили использовать для измерения гравитационных волн лазерные интерферометры. Фиксируя разность фаз двух лазерных лучей, теоретически можно заметить деформацию пространства.

Первый опытный образец такого прибора построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories; руководил ими Роберт Форвард. В восьмидесятые годы целый ряд лабораторий обзавелись лазерными интерферометрами. Они появились в Калифорнийском технологическом, в университетах Токио и Глазго, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.

В начале нового века были сооружены сразу четыре крупных установки, предназначенных для поиска гравитационных волн: французско‑итальянский лазерный интерферометр «VIRGO» близ Пизы; длина плеча – 3 километра; германо‑британский интерферометр «GEO‑600» к югу от Ганновера; длина плеча – 600 метров; «ТАМА‑300», интерферометр японской Национальной астрономической обсерватории, расположенный близ Токио, и самая большая установка – «LIGO», Laser Interferometer Gravitational‑Wave Observatory в США. В состав этой обсерватории входит два интерферометра; длина плеча каждого равна четырем километрам. Эти интерферометры разделяет расстояние в три тысячи километров: один расположен далеко на западе США, в штате Вашингтон, другой – на юге, в штате Луизиана. Один принадлежит Калифорнийскому технологическому, другой – Массачусетсскому технологическому.

По словам Кипа Торна, открытие гравитационных волн «станет лучшей проверкой законов Эйнштейна и лучшим доказательством того, что черные дыры в самом деле существуют. Быть может, волны помогут также расслышать шум Большого Взрыва». Наблюдение за ними позволит заглянуть в недра сверхновых, детально изучить процессы, протекающие в двойных звездных системах в момент их слияния, а также исследовать нейтронные звезды.

Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1993 году астрономы Рассел Хале и Джозеф Тейлор даже получили за эту работу Нобелевскую премию в области физики. За двадцать лет до этого, в 1974 году, в созвездии Орла были открыты две нейтронные звезды, вращавшиеся друг относительно друга. Удалось зафиксировать радиоизлучение, испускаемое с поразительной периодичностью одной из этих звезд – погрешность интервалов составляла всего три миллионные доли секунды. Поэтому данный пульсар, известный под названием «PSR 1913+16», можно было использовать в качестве точнейших «часов». С помощью этих «часов» впервые удалось проверить положения теории относительности, касающиеся мощных гравитационных полей. Кроме того, Ученые обнаружили, что скорость обращения этого пульсара постоянно убывает; очевидно, он излучает свою энергию в виде гравитационных волн.

Земля, кстати, тоже теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, но ввиду того, что ее масса по космическим меркам чрезвычайно мала, мощность излучаемых ею гравитационных волн составляет всего около 200 ватт, что практически невозможно обнаружить.