КОЕ-ЧТО О ВОЛНОВОЙ ГРАВИТАЦИИ

Часто говорят, что гравитационные волны — распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно ОТО, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Гравитационные волны — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля. По этой-то причине их часто называют пространственно-временной рябью — сравнение образное, хотя и сильно заезженное.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания гравитационных волн необходимы ускорения, однако отнюдь не всякие. Цилиндр, который вращается вокруг своей главной оси, испытывает ускорение (вспомним школьный курс физики), однако его гравитационное поле остается повсюду однородным, и волны не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле начнет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Тот, кто помнит, что такое квадрупольный момент, сразу догадается, что при таком вращении меняется скорость изменения квадрупольного момента цилиндра — то есть вторая производная от величины момента по времени (строго говоря, речь должна идти о тензоре квадрупольного момента, но это уже математические тонкости). Таково проявление общего правила: если вторая производная квадрупольного момента системы тяготеющих масс отлична от нуля, эта система излучает гравитационные волны. Поэтому, в частности, источником таких волн служат любые два космических объекта, обращающиеся вокруг барицентра.

Гравитационные волны обладают множеством интереснейших свойств, но, поскольку нельзя объять необъятное, ограничимся основными. Во-первых, в пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды гравитационных волн угасают при удалении от источника, однако вовсе не падают до нуля. Можно сказать, что единожды возникшая гравитационная волна обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми гравитационными волнами, унаследованными от эпохи космической инфляции, о которой пойдет речь в последней главе. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.

Во-вторых, гравитационные волны поперечны. Это означает, что такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область волнового гравитационного фронта, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны). В простейшем случае пространство периодически растягивается и сжимается вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, лежащих в этой плоскости.

В-третьих, утверждение ОТО, что гравитационные волны могут генерироваться только за счет изменения квадрупольного момента (и конечно, более высоких моментов), имеет очень интересную интерпретацию в квантовой теории поля. В этом контексте оно означает, что спин гравитона, кванта гравитационных волн, равен двум. Аналогично возможность генерирования электромагнитных волн благодаря изменениям дипольного момента системы зарядов (тут тоже требуется отличие от нуля второй производной) на квантовом языке означает, что спин фотона равен единице. К нашей основной теме эта информация отношения не имеет, но уж больно она красива!

Гравитационное излучение от земных источников чрезвычайно слабо. Возьмем стальную колонну массой 10 000 тонн, подвесим за центр в горизонтальной плоскости и раскрутим вокруг вертикальной оси до десяти оборотов в секунду (намного быстрее не получится — сталь начнет рваться). Мощность гравитационного излучения такой гигантской вертушки составит примерно 10–24 ватта. Так что ученые давно знали, что единственная надежда обнаружить гравитационные волны в сколь-нибудь близком будущем состоит в том, чтобы найти источник гравитационного излучения, пришедшего из космоса.

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы (и, следовательно, потеря ее энергии на это излучение) меняется в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Таким образом, при сближении звезд она растет очень быстро, особенно на самых малых дистанциях. Потери энергии дополнительно увеличиваются в разы, если звезды обращаются вокруг барицентра не по круговым, а по сильно вытянутым орбитам.

Самыми эффективными генераторами гравитационного излучения служат пары вращающихся вокруг друг друга компактных объектов — белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр. Все знают, что излучение сближающихся черных дыр, а потом и нейтронных звезд на последних долях секунды перед их слиянием уже было несколько раз детектировано (в 2015 г. и позднее) американской гравитационной обсерваторией LIGO и ее итальянским партнером Virgo. Гравитационное излучение белых карликов пока удалось подтвердить лишь косвенно. Впервые это было сделано около 15 лет назад на основе рентгеновских и оптических наблюдений двойной системы HM Рака (другое название RX J0806.3+1527) с орбитальным периодом 5 минут 21,5 секунды, которая удалена на 1600 световых лет от Солнца. Она образована белыми карликами с одинаковой массой, равной половине солнечной, удаленными друг от друга приблизительно на 80 000 км. Период этой системы каждый год уменьшается на 1,2 миллисекунды — в полном соответствии с результатами вычислений, выполненных на основе ОТО. Позднее аналогичные результаты были получены еще для нескольких двойных белых карликов.