Глава 8. Волны тяготения

Гравитационные волны – это рябь на поверхности кривизны, на ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Будучи предсказанными Эйнштейном в общей теории относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены. Однако косвенным образом они были идентифицированы в движении двойных пульсаров. Эти волны интенсивно излучаются компактными и массивными астрофизическими объектами, например, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, когда, как правило, нет электромагнитного излучения. Гравитационные волны значительно глубже, чем электромагнитные, проникают и меньше поглощаются. Это – наиболее обещающая проба сильного гравитационного поля, темной стороны Вселенной…

К. Торн.

Черные дыры и гравитационные волны

Все грандиозные катаклизмы, составляющие многие из нерешенных задач астрономии и астрофизики, тесно связаны с релятивистским искажением окружающего пространства. Обнаружение подобной ряби пространства-времени составляет важнейшую нерешенную задачу не только астрофизики, но и физики в целом, поскольку затрагивает фундамент величайшего творения Эйнштейна.

История экспериментального исследования гравитационных волн, предсказанных теорией тяготения Эйнштейна, началась с сенсационного сообщения, поступившего в конце 1969 года от профессора физического факультета университета американского штата Мэриленд Джозефа Вебера. Он утверждал, что сумел обнаружить на своем детекторе, расположенном в университетском бункере – бывшем бомбоубежище времен холодной войны, – самые настоящие волны тяготения, пришедшие из неведомых глубин Вселенной. Поскольку Вебер имел репутацию известного физика-экспериментатора, к его сообщению отнеслись вполне серьезно, хотя все предыдущие попытки, проводимые в разных частях света, не давали ни малейшего результата.

Теоретически источниками гравитационных колебаний могут служить всяческие движения массивных материальных тел, неоднородно изменяющие гравитационное поле в окружающем пространстве. Например, источником волн тяготения может быть очень массивное несимметричное тело, сильно раскрученное вокруг оси, не проходящей через центр тяжести. В этом случае гравитационное поле станет периодически изменяться, испуская в стороны волны тяготения.

Сегодня распространено два типа детекторов гравитационных волн. Один из них, наподобие того что применял Вебер, представляет собой гравитационную антенну в виде массивной металлической конструкции, охлажденной 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.

Модель гравитационных волн вблизи системы из двух массивных тел

В эксперименте Вебера гравитационная антенна представляла собой алюминиевый двухметровый цилиндр метрового диаметра на проволочном подвесе. Резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, а амплитудная чувствительность пьезодатчиков – 10–16 метров. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, но когда многие ведущие лаборатории тут же попытались повторить данные опыты, их ждало глубокое разочарование. Так «волны Вебера» пополнили кунсткамеру невоспроизводимых экспериментов. Причем и теоретически амплитуда якобы зафиксированных Вебером колебаний более чем в миллион раз превышала расчетную величину из уравнений общей теории относительности. Между тем сам Вебер долгое время упорно отстаивал полученные результаты и даже доказывал, что ему удалось идентифицировать источник гравитационных колебаний, расположенный где-то в центре нашей Галактики.

Периодически появляются сообщения о новых схемах гравитационных телескопов или об их новых космических источниках. Это вновь и вновь поднимает интерес к волнам Вебера. Примером может служить астрономическая сенсация о нахождении в центре нашей Галактики кандидата в сверхгигантский коллапсар. Если подобный монстр действительно существует в реальности, то он должен постоянно поглощать тысячи звезд, генерируя при этом мощное гравитационное излучение. Эксперименты по поиску волн Вебера из центра Галактики возобновились, но опять-таки не принесли какого-либо результата. Сегодня на новом витке поиска признаков «ряби пространства-времени» планируется перенести систему очень чувствительных лазерных детекторов в открытый космос.

По современным представлениям материальные поля подобны поплавкам на поверхности пространства-времени. Гениальная идея Эйнштейна заключалась в том, что в поле тяготения пространство искривляется и все тела движутся по кратчайшим (геодезическим) линиям. Получается, что пространство-время искривляют массы, создающие поле тяжести и в таком пространстве возможны разные геометрические парадоксы, так, два угла в треугольнике могут быть прямыми. Если пространство искривлено и все тела движутся по геодезическим линиям, это означает, что тела разной природы будут двигаться по одинаковым траекториям, т. е. естественно объясняется независимость ускорения свободного падения от природы тела.

Согласно теории гравитации Эйнштейна, тяготение определяется самим рельефом пространства-времени, в свою очередь формируемым распределением массивных тел и потоков энергии во Вселенной. При этом различные вселенские катаклизмы, сотрясающие пространственно-временной рельеф, по идее должны порождать колебания гравитационного поля, проявляемые некой пространственно-временной рябью.

Почти одновременно с Эйнштейном уравнения гравитационного поля получил немецкий математик Давид Гильберт, опоздав с публикацией своих расчетов всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта – Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании этой теории.

Уравнения Гильберта – Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий в различных областях пространства. Получается, что в перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.

Энергия – одна из самых фундаментальных физических величин, тем более что для слабых гравитационных полей можно построить теорию в плоском пространстве, в которой гравитация обладает свойствами обычного материального энергетического поля – такого же, как электрическое или магнитное. Такую теорию в середине тридцатых годов прошлого века создал советский физик М. П. Бронштейн. Физические тела в ней притягиваются, обмениваясь квантами гравитационного поля – частицами-гравитонами.

Проблема энергии составляет главную, но не единственную трудность общей теории относительности. Например, она приводит к парадоксальному выводу о том, что очень массивные тела под действием собственной силы тяжести должны неудержимо сжиматься в точку – коллапсировать, практически исчезая из окружающего их пространства. Теория говорит, что такая судьба ожидает все тяжелые звезды после того, как иссякнет ядерное горючее и давление излучения от непрерывных термоядерных реакций станет недостаточным для поддержания равновесия. В принципе подобным образом могут сжиматься целые миры. И наоборот, как показал в двадцатые годы прошлого века петербургский физик А. А. Фридман, при определенных условиях из математической точки может развиться новая Вселенная с мириадами звезд и галактик.

Сама по себе идея гравитационной детекции ряби пространства-времени довольна проста. Она основана на том, что гравитационная волна сжимается и растягивает абсолютно все материальные тела на своем пути. К примеру, гравитационным детектором может служить тот же «цилиндр Вебера», который предположительно вибрировал вдоль своей продольной оси, выступая в качестве антенны, передающей колебания сил тяготения через пьезоэлектрические детекторы в электрические импульсы.

Сегодня подобные гравитационно-волновые антенны намного усовершенствовались и включают разнообразные сверхчувствительные детекторы вроде криогенных вибродатчиков, работающих в диапазоне сверхнизких температур. Все чаще применяются и интерференционные детекторы колебаний на основе различных лазеров. Принцип их работы основывается на том, что приходящие из космоса гравитационные колебания будут деформировать пространство, меняя длину оптических плеч интерферометра, растягивая одно плечо и сжимая другое на пути, который преодолевает свет от призмы до зеркала. Суммарная картина наложившихся световых волн, соответственно, должна зафиксировать все произошедшие изменения.

Не так давно международная научная коллаборация Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) рискнула объявить на весь мир, что наконец-то удалось обнаружить признаки гравитационных колебаний самой основы мироздания – пространства-времени….

Слухи об этом знаковом открытии «дыхания Вселенной» стали распространяться летом 2015 года. Затем последовало триумфальное подтверждение результатов наблюдений и нобелевский приз 2017 года, присужденный американским ученым Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Берри Бэришу за решающий вклад в проект LIGO, а также «за наблюдение за гравитационными волнами».

Эти исследования начались еще в девяностых годах прошлого века, когда группа энтузиастов из двух крупнейших американских научных центров – Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов – предложила обширный проект по созданию сети обсерваторий, оснащенных лазерными интерферометрами. Проект был ориентирован на эксперименты по нелинейной гравитации, поиску черных дыр и квантов гравитации – гравитонов, позволив наконец-то сделать предварительные заключения о величине собственного момента количества движения этой в высшей степени таинственной частицы. Основное преимущество проекта ЛИГО перед аналогичными экспериментами состояло в возможности использования сразу нескольких лазерных интерферометров.

Дальнейшие открытия показали, что подобные уникальные установки открывают новое направление развития гравитационных телескопов, что в конечном итоге позволит получить сенсационные результаты, приближающие нас к разгадке многих нерешенных задач науки. Анализируя разницу во времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн от одного и того же удаленного источника, ЛИГО позволит наконец-то определиться и в вопросе о скорости распространения сил тяготения.

Следующим этапом в исследовании «гравитационного прибоя Вселенной» может стать совместный эксперимент НАСА и Европейского космического агентства ЛИЗА (LISA – космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра). В настоящее время эксперимент находится в стадии проектирования, а его предполагаемое начало отнесено на 2020 год. Космическая миссия ЛИЗА должна будет продлиться пять лет, а при наличии положительных результатов пролонгируется еще на пятилетие или даже десятилетие.

Проект ЛИЗА нацелен на исследование гравитационных волн посредством лазерной интерферометрии на астрономических расстояниях. Измерения будут проводиться при помощи трех космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника. Две стороны этого треугольника длиной пять миллионов километров будут образовывать плечи гигантского лазерного интерферометра. Когда гравитационная волна исказит структуру пространства-времени между двумя космическими аппаратами, появится возможность измерить относительные изменения длины плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча, несмотря на малость этого эффекта.

Целью проекта является не только детектирование гравитационных волн, но и измерение их поляризации, а также направления на их источник. Таким образом, в конечном итоге миссия ЛИЗА направлена на построение карты неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов путем исследования низкочастотного гравитационного излучения.