Книга: 100 великих загадок астрономии

Можно ли заметить гравитационные волны?

Можно ли заметить гравитационные волны?

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн. Однако обнаружить их до сих пор не удалось. Первый достоверный случай их наблюдения стал бы блестящим подтверждением общей теории относительности. Кроме того, эти волны содержат информацию о процессах, протекающих в космосе, которую нельзя получить иначе. «Эти завитки искривленного пространства-времени доносят до нас тайные весточки мироздания, – подобно тому, как акустические волны доносят до публики информацию об оркестре, – поясняет американский физик Кип Торн, – они, быть может, помогут нам даже расслышать шум Большого взрыва». Для астрофизиков это – новое окно в космос.

Теория гласит, что гравитационные волны возникают, когда громадные массы вещества с чрезвычайно большой скоростью сталкиваются или движутся относительно друг друга. Яркие тому примеры – это коллапс звезды в конце своего жизненного пути или слияние двойных звезд. Часть выделяющейся при этом энергии уносят с собой гравитационные волны. Они возникают также при столкновении галактик или падении крупных объектов в недра черной дыры. Их порождает и столкновение черных дыр. Расчеты показывают, что после такой сшибки черные дыры теряют до 40 % своей массы, излученной в виде гравитационных волн.

Распространяются эти волны со скоростью света. Они пронизывают пространство, словно сейсмические волны – Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща вещества, сквозь которую они пробиваются, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн вещество, лежащее 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 удлинился бы на величину… атомного ядра. Попробуйте уловить подобные – неощутимые – колебания!

Гравитационные волны возникают, когда громадные массы с чрезвычайно большой скоростью сталкиваются или движутся относительно друг друга

Астрономы делят гравитационные волны на несколько классов. Во-первых, кратковременные волны. В считаные доли секунды их источники излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают эти волны при взрывах звезд и столкновениях нейтронных звезд и черных дыр.

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. Для слежения за ними нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также являются результатом слабых или очень отдаленных единичных событий. Может быть, речь идет о столкновениях звезд, возникших вскоре после Большого взрыва? Или о процессах, протекавших в молодой Вселенной и вызвавших нарушения пространственно-временной структуры? Или даже об отголосках Большого взрыва?

В конце 1960-х годов попытку обнаружить эти волны предпринял физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета. Сердцевину его детектора составил алюминиевый цилиндр длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. С его помощью ученый намеревался измерить гравитационные волны, которые распространяются перпендикулярно продольной оси цилиндра и вызывают его колебания. По этой причине цилиндр должен был слегка деформироваться – величину этой деформации Уэбер и хотел определить. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его зафиксировать. Однако эти исследования не принесли однозначного результата.

Первый опытный образец лазерного интерферометра для измерения гравитационных волн построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories. В 1980-е годы целый ряд лабораторий обзавелся подобными приборами. Они появились в Калифорнийском технологическом институте, в университетах Глазго и Токио, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.

Принцип измерения таков. На концах и посредине L-образной установки, защищенной от любых вибраций, подвешены три груза. Расположенный рядом лазер испускает в ее сторону луч. Установка отрегулирована так, что лазерные лучи затухают за счет интерференции, то есть наложения их друг на друга. Если сквозь установку пройдет гравитационная волна, то расстояние между грузами на какой-то миг немного изменится. Иной станет и интерференционная картина. Так, мы убедимся, что измерительная база деформировалась. Мы обнаружим «след гравитационной волны».

Длина измерительной базы намного превышает длину прежних детекторов-цилиндров. Во-первых, плечи самой L-образной конструкции вытянулись на километры. Во-вторых, лазерные лучи, по нескольку раз отражаясь от зеркал, преодолевают огромный путь. Все это намного повышает чувствительность прибора.

Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1974 году два американских радиоастронома, Рассел Халс и Джозеф Тейлор, обнаружили в созвездии Орла очень редкий объект: двойной пульсар – систему из двух нейтронных звезд. По Эйнштейну, подобная система теряет большое количество энергии за счет излучения гравитационных волн. Вследствие потери энергии обе звезды постепенно сближаются и при этом начинают вращаться все быстрее. После наблюдений, длившихся более десяти лет, Халс и Тейлор действительно зафиксировали, что период обращения этих звезд сократился. Разница точно соответствовала значению, предсказанному теорией относительности, если предположить, что часть энергии уносят гравитационные волны. В 1993 году эта работа была удостоена Нобелевской премии по физике.

Сразу несколько установок, созданных в разных странах мира, пытаются сейчас выследить эти неуловимые волны. Одна из них – GEO600, германо-британская установка, построенная близ Ганновера. Ее интерферометры ведут наблюдение в диапазоне от 1 до 10 000 герц. С помощью этого детектора можно обнаружить, например, гравитационные волны, излучаемые при взрыве сверхновой звезды.

Теоретики ведь убеждают нас в том, что доказать существование этих волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как этого добиться, и… кивают на практиков. Почему же до сих пор этого не удалось сделать? Причина в том, что ожидаемый эффект, повторюсь, чрезвычайно мал. Так, длина плеча установки GEO600 составляет 600 метров. Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой звезды длина этого плеча под воздействием гравитационных волн изменится за несколько тысячных долей секунды на величину порядка 10 ^—19 метра, что в тысячи раз меньше диаметра атомного ядра. Понятно, что зафиксировать такую величину невероятно трудно – тем более, что микросейсмическая активность земных недр вносит свои помехи. Еще недавно подобная точность измерений и вовсе считалась невозможной.

Что же касается гравитационных волн частотой менее одного герца, то единственный шанс их обнаружить – это следить за ними в космосе. Этим займутся участники совместного проекта НАСА и ЕКА, получившего название LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Предполагается, что исследования в рамках этого проекта начнутся в 2015 году.