Модель гравитационных волн от двойной звездной системы
Задумываясь над природой волн гравитации, вспомним, что, согласно общей теории относительности, тяготение возникает в результате искривления окружающего нас пространства-времени. Если представить пространство в виде упругой резиновой пленки с ямками от массивных «шариков» звезд, то их колебания вызовут вибрацию всей пленки. Образно это можно назвать волновой рябью пространства-времени.
Итак, даже простейшие «резинопленочные» модели показывают, что нас невидимо раскачивает гравитационный прибой. Правда, не всякое перемещение звезд может вызвать гравитационное излучение. Например, для испускания волн гравитации не подойдет вращение по симметричной орбите. В этом случае центростремительное ускорение строго симметрично, его гравитационное поле остается однородным, так что волны гравитации возникнуть не могут. А вот если взять коромысло с двумя очень серьезными массами и раскрутить в точке равновесия, то гравитационное поле такой бинарной (двойной) системы начнет изменяться пропорционально частоте вращения, и от коромысла во все стороны побежит пространственно-временная рябь волн тяготения.
Для наблюдателя гравитационная волна представляет собой возмущение приливных сил, т. е. точно таких же сил притяжения Луны или Солнца, которые заставляют вспучиваться водную поверхность Земли, образуя периодические приливы и отливы. Простейшее приспособление, которое могло бы зафиксировать таинственную гравитационную рябь пространства – времени – обыкновенный груз на пружинном подвесе, свободно колеблющийся с некоторой собственной частотой. Если при этом она совпадет с частотой гравитационной волны, возникнет резонанс. В качестве пробных грузов на пружинке чаще всего используют громадные многометровые алюминиевые цилиндры толщиной около метра. В другом варианте устанавливают массивные зеркала, колебания которых измеряют с помощью лазерных интерферометров.
Вообще говоря, шумный ажиотаж вокруг поиска гравитационных волн поднялся в конце шестидесятых годов прошлого века, когда американский физик Джозеф Вебер опубликовал сенсационные данные, свидетельствующие о существовании космических волн тяготения. Вебер слыл авторитетом в своей области, поэтому научный мир воспринял его сообщение с полной серьезностью, а в обиход вошло выражение «волны Вебера».
Однако вскоре наступило разочарование, ведь другим ученым так и не удалось достичь значимых результатов.
Сегодня многие творческие коллективы инженеров и физиков успешно проектируют новые системы датчиков гравитации, например, на основе лазерных интерферометров. Если на такую систему накатит гравитационная волна, то под ее воздействием начнет меняться длина пути луча. Сначала она станет короче в одном направлении и длиннее в другом, затем возникнет противоположная ситуация. Подобные лазерные интерферометры обладают феноменальной чувствительностью и могут регистрировать волны в широком частотном диапазоне.
Но ученые не остановятся на достигнутом и собираются создать космическую систему из лазерных интерферометров для регистрации гравитационных волн. Речь идет о международном проекте, получившем название LISA, который предполагает запуск космической флотилии из нескольких гравитационных лабораторий, распределенных на дистанции в несколько миллионов километров друг от друга. Так могут быть получены важнейшие данные по космологическим гравитационным волнам, возникшим при рождении нашей Вселенной в пучинах Большого взрыва.
Впрочем, надежды гравитационно-волновой астрономии не связаны исключительно с космосом. В различных лабораториях строятся криогенные детекторы, например, в виде металлических сфер метрового диаметра, охлаждаемые практически до температуры абсолютного нуля. Предполагается, что на высоких частотах такие детекторы могут превзойти по чувствительности самые совершенные лазерные установки.
Между тем Метагалактику не зря иронично называют «лабораторией для бедных». Порой космос действительно предоставляет ученым уникальные возможности для исследования процессов, недоступных ни в каких лабораториях. Примером может служить радиопульсары нейтронных звезд. Характерные размеры нейтронной звезды составляют десятки километров, а средняя плотность приближается к плотности атомных ядер, при этом кубический сантиметр весит тысячи тонн. Массы всех известных нейтронных звезд близки к массе Солнца. Скорость вращения нейтронной звезды может быть очень высокой и превышать 100 тысяч километров в секунду. При такой плотности нейтронные звезды обладают чудовищной напряженностью поля тяготения. Поэтому, если подобное радиопульсары будут вращаться со скоростью в тысячи оборотов за секунду, то потеряют осевую симметрию, и возникшее несимметричное тело будет излучать волны гравитации. Еще более мощным источником гравитационных колебаний должна быть двойная система нейтронных звезд. Астрономам встречаются такие феномены, делающие сотни оборотов в секунду при скорости движения приближающейся к трети световой!
Проект LISA
Этот совместный эксперимент НАСА и ЕКА Laser Interferometer Space Antenna находится на проектной стадии, старт планируется на 2020 год. Измерения будут проводиться лазерными интерферометрами при помощи космических аппаратов, расположенных в вершинах треугольника. Когда гравитационная волна исказит пространство-время между двумя зондами, можно будет измерить относительные сдвиги фазы лазерного луча.
Из-за крошечного размера нейтронные звезды очень слабо видны, даже в большие телескопы, но во многих случаях наблюдаются как источники рентгеновского излучения в тесных двойных системах звезд. По современным представлениям, большинство нейтронных звезд образуется при взрывах сверхновых. Наряду с черными дырами нейтронные звезды являются конечной стадией эволюции звезд большой массы. Чаще всего гравитационные волны испускают двойные звездные системы, часто встречающиеся в Метагалактике. С помощью космических гравитационных телескопов-интерферометров ученые надеются зарегистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд.
Однако рекордсменами в испускании гравитационных волн должны быть системы из черных дыр. Массы таких систем могут превышать массы тех же нейтронных звезд в миллиарды раз. Особенно интересные эффекты возникают в случае быстро вращающихся черных дыр.
Мощнейшим источником колебаний пространства–времени могли бы быть множественные системы из сверхмассивных черных дыр, скапливающихся в ядрах сильно взаимодействующих галактик. Когда-нибудь и наш Млечный Путь столкнется с соседней туманностью Андромеды. Тогда центральные черные дыры образуют единую систему и начнут сближаться, расходуя энергию на гравитационное излучение.
Может быть, когда-нибудь астрофизики найдут способы фиксации коротких очень мощных всплесков гравитационных волн, возникающих и при вспышках сверхновых звезд.
Но самым интересным источником гравитационного излучения должны быть космологический фон реликтовых гравитационных волн. Космологические гравитационные волны испускаются в эпоху ранней Вселенной хаотически движущимися неоднородностями вещества. Это единственный вид излучения, способный донести до нас информацию о первых секундах существования Вселенной.
Разыскивая волны пространства – времени, астрофизики вынуждены постоянно бороться с множеством помех, вызванных тепловыми движениями, звуковыми и сейсмическими колебаниями. Поэтому гравитационные обсерватории, как правило, располагают в необычных, а иногда и экзотических местах: в глубоких заброшенных шахтах или наоборот – на горных вершинах и на ледниковом щите Антарктиды.
Существующие детекторы уже вплотную подошли к интересной для астрофизиков области параметров. Каков же все-таки смысл в поиске гравитационных волн, для чего их можно «использовать»? Можно представить, что если бы журналисты спросили в свое время у создателей квантовой теории, какая в будущем будет польза от квантовой механики, то вряд ли они предвосхитили открытие транзисторов и оптических квантовых генераторов-лазеров. Но прошли десятилетия и появилась прикладная квантовая электроника, квантовая оптика и квантовая радиофизика. Очень трудно предсказать конкретные приложения фундаментальной теории, но ее будущий вклад в технику и инженерную физику несомненен.
Глава 7. Эволюция галактик
Основным препятствием для решения проблемы возникновения крупномасштабной структуры, возникновения галактик, является незнание начальных условий.
По-видимому, единственной возможностью выяснить здесь истину является способ, аналогичный тому, к которому прибегли для решения проблемы первых секунд с начала расширения. Надо сделать разные предположения о начальных возмущениях, проанализировать их следствия и сравнить с наблюдениями.
