Волна придет из космоса через пять лет

Обсерватория LIGO за два года работы так и не зарегистрировала ни одной гравитационной волны космического происхождения

Попытки зарегистрировать гравитационные волны космического происхождения пока не приносят результата. Это не означает, что теория относительности не верна, а только позволяет отказаться от ряда моделей ранней Вселенной и сузить диапазон частот для поиска гравитационных волн.

Гравитационные волны и телескопы, которые их пытаются наблюдать

Гравитационная волна — предположительно существующее (предсказываемое общей теорией относительности) возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, предположительно распространяющаяся со скоростью света. Уравнения Эйнштейна имеют решения волнового типа, представляющие собой движущееся со скоростью света возбуждение метрики пространства-времени. Слабая (линейная) гравитационная волна, согласно ОТО, считается поперечной и описывается двумя независимыми компонентами (имеет две поляризации).

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора то есть ~ma. Однако, если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = --m₂a₂. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они существенно взаимно гасятся. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения.

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения — примерно 5 киловатт, таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:
— сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
— гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе).

Двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации. При вращении вокруг общего центра масс такая система теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн. Этот процесс обычно длится несколько миллионов лет и излучение достаточно слабое. В результате объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50 % от массы системы.

Впервые существование гравитационных волн было косвенно доказано Р. Халсом и Дж. Тейлором при изучении пульсара PSR B1913+16. За это открытие они были награждены Нобелевской премией по физике в 1993 году.

Согласно ОТО, гравитационные волны, образующиеся, например, в результате слияния двух чёрных дыр где-то во Вселенной, вызовут чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между пробными частицами, вследствие колебания самого пространства, которое и будут регистрировать детекторы.

Наиболее распространены два типа детекторов гравитационных волн. Один из типов, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967, представляет собой гравитационную антенну — как правило, это металлическая массивная болванка, охлаждённая 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. В пионерском эксперименте Вебера антенна представляла собой алюминиевый цилиндр длиной 2 м и диаметром 1 м, подвешенный на стальных проволочках; резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, амплитудная чувствительность пьезодатчиков - 10^-16 м. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, и сообщил об обнаружении сигнала, источником которого с наибольшей вероятностью был центр Галактики. Однако независимые эксперименты не подтвердили наблюдений Вебера. Из действующих в настоящее время детекторов по такому принципу работает сферическая антенна MiniGRAIL (Лейденский университет, Голландия), а также антенны ALLEGRO, AURIGA, EXPLORER и NAUTILUS.

В другом типе экспериментов по детектированию гравитационных волн измеряется изменение расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. В двух длинных (длиной в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Лазерный луч расщепляется, идёт по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга (деструктивно интерферируют), и освещённость фотодетектора оказывается нулевой. Но стоит лишь какому-нибудь из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (причём речь идёт о расстоянии на порядки меньше световой волны — о тысячных долях размера атомного ядра), как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. В настоящее время гравитационные телескопы такого типа работают в рамках американо-австралийского проекта LIGO (наиболее чувствительный), немецко-английского GEO600, японского TAMA-300 и итальянского VIRGO.

Разрабатывается эксперимент LISA, в котором лазерный интерферометр будет находиться в космосе, с длиной плеча 5 млн км и чувствительностью к сдвигу пробных масс 20 пм.

Гравитационные волны являются одним из наиболее привлекательных в астрономии объектов для изучения. Вот только дело осложняется тем, что до сих пор обсерватории не зарегистрировали ни одной гравитационной волны космического происхождения. Но эти волны представляют собой, по сути, единственную возможность посмотреть на нашу Вселенную непосредственно в момент ее рождения, и потому работа по их поиску не может не привлекать к себе внимания.

Из всех гравитационных телескопов, работающих на Земле, наибольшей чувствительностью обладает расположенная в США Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Эта обсерватория состоит из двух Г-образных систем, образованных двумя «плечами» по 4 км каждое. Гравитационная волна обладает свойством изменения метрики, то есть, попав на прибор, она изменит длину «плеча» каждой из систем, и лазерный интерферометр зафиксирует это изменение.

Системы разнесены между собой на 3002 километра.

При регистрации гравитационной волны, распространяющейся, согласно теории относительности, со скоростью света, это расстояние даст задержку в регистрации сигнала в 10 миллисекунд, что позволит определить направление на источник волны. Одна из систем находится в Ливингстоне, а другая — в Хэнфорде.

Проект LIGO был основан в 1992 году, а наблюдения обсерватория начала с 2002 года. В научную группу, работающую с обсерваторией, входит около 600 ученых, среди них есть и специалисты из России. В четверг в Nature опубликована статья, которая подводит промежуточные итоги работы обсерватории за период с 2005 по 2007 год.

Эти итоги заключаются в том, что LIGO не смог зарегистрировать ни одной гравитационной волны космического происхождения.

Не сильно помогли и совместные наблюдения с немецко-английским GEO600 и итальянским VIRGO. Гравитационные волны от двойных систем остались неуловимыми, так же как обсерватории не удалось зафиксировать и общую «рябь» «пространства-времени», которая должна была возникнуть сразу после рождения Вселенной в качестве суперпозиции многих гравитационных волн, своего рода аналог реликтового излучения в радиодиапазоне.

Как известно, отрицательный результат не менее важен в науке, чем положительный. Данный случай — не исключение. Отсутствие гравитационных волн при наблюдениях на конкретных частотах с конкретной чувствительностью позволило ученым сузить область дальнейших поисков гравитационного излучения.

Кроме того, свою несостоятельность показали некоторые модели ранней Вселенной.

В частности, ученые отказались от тех моделей, согласно которым в первые мгновения после Большого взрыва образовался сильный стохастический фон гравитационного излучения.

«Теперь мы знаем больше о параметрах, описывающих эволюцию Вселенной тогда, когда ее возраст составлял меньше минуты, — уверенно заявляет Вук Мандич, один из авторов работы. — Кроме того, если космические струны и суперструны существуют, то их свойства не должны противоречить нашим результатам, то есть их параметры должны быть более ограничены, чем считалось ранее».

В 2014 году на обсерваторию LIGO будут установленные новые датчики, в 10 раз более чувствительные, чем те, которые используются в настоящее время. Это позволит инструменту учитывать источники гравитационных волн, находящиеся в объеме в 1000 раз больше, чем сейчас. Поэтому ученые с оптимизмом оценивают перспективы исследований с помощью LIGO.

Обнаружение гравитационных волн, несомненно, станет важным событием не только в астрономии, но и вообще во всей науке. Но этого события, видимо, предстоит ждать еще как минимум несколько лет.