ГРАВИТАЦИО́ННЫЕ ВО́ЛНЫ

ГРАВИТАЦИО́ННЫЕ ВО́ЛНЫ (гра­ви­та­ци­он­ное из­лу­че­ние), ко­ле­ба­тель­ное из­ме­не­ние гра­ви­та­ци­он­но­го по­ля, рас­про­стра­няю­щее­ся от ис­точ­ни­ка в про­стран­ст­ве с фун­да­мен­таль­ной ско­ро­стью $c$, рав­ной ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния све­та. Ис­точ­ни­ком Г. в. яв­ля­ют­ся лю­бые мас­сы, дви­жу­щие­ся с пе­ре­мен­ным ус­ко­ре­ни­ем. По­доб­но элек­тро­ди­на­ми­ке, пред­ска­зы­ваю­щей су­ще­ст­во­ва­ние не свя­зан­но­го с заря­да­ми сво­бод­но­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля – элек­тро­маг­нит­ных волн, ре­ля­ти­ви­ст­ская тео­рия гра­ви­та­ции – об­щая тео­рия от­носи­тель­но­сти (ОТО) – пред­ска­зы­ва­ет су­ще­ст­во­ва­ние не свя­зан­но­го с мас­са­ми сво­бод­но­го гра­ви­тац. по­ля – Г. в. Воз­дей­ст­вуя на те­ла, Г. в., имею­щие энер­гию и им­пульс, долж­ны вы­зы­вать от­но­си­тель­ное сме­ще­ние их час­тей (де­фор­ма­цию). На этом яв­ле­нии ос­но­ва­ны по­пыт­ки об­на­ру­же­ния Г. в., од­на­ко до сих пор они не об­на­ру­же­ны из-за их чрез­вычай­но ма­лой ин­тен­сив­но­сти и очень сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия с ве­ще­ст­вом.

В от­ли­чие от элек­тро­ди­на­ми­ки, в ОТО нет по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов [все гра­ви­тац. за­ря­ды (мас­сы) при­тя­ги­ва­ют­ся друг к дру­гу], при­чём гра­ви­тац. мас­са рав­на инерт­ной для всех тел (этот опыт­ный факт на­зы­ва­ет­ся прин­ци­пом эк­ви­ва­лент­но­сти). По­это­му не су­ще­ст­ву­ет ди­поль­ных гра­ви­тац. из­лу­ча­те­лей, а есть толь­ко квад­ру­поль­ные, ко­то­рые мож­но пред­ста­вить как два близ­ко рас­по­ло­жен­ных ди­по­ля, ко­то­рые час­тич­но «га­сят» друг дру­га. Мощ­ность $W$ из­лу­че­ния ис­точ­ни­ка (т. е. не­сколь­ких дви­жу­щих­ся масс) про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту треть­ей про­из­вод­ной по вре­ме­ни $t$ от квад­ру­поль­но­го мо­мен­та этой груп­пы масс:

В ла­бо­ра­то­рии на Зем­ле мож­но соз­дать лишь ис­точ­ни­ки Г. в. весь­ма ма­лой мощ­но­сти. Напр., ес­ли вра­щать сталь­ной ци­линдр мас­сой 1 т во­круг оси, пер­пен­ди­ку­ляр­ной оси ци­лин­д­ра, со ско­ро­стью, при ко­то­рой цен­тро­беж­ные на­тя­же­ния близ­ки к раз­рыв­ным, то мощ­ность гра­ви­тац. из­лу­че­ния не пре­вы­сит 10^–30 Вт.

Осн. ис­точ­ни­ка­ми Г. в. яв­ля­ют­ся ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­ты и яв­ле­ния, та­кие как двой­ные звёзд­ные сис­те­мы, бы­ст­ров­ра­щаю­щие­ся пуль­са­ры, столк­но­ве­ния ней­трон­ных звёзд или чёр­ных дыр, взры­вы сверх­но­вых и др. Дви­жу­щие­ся близ­ко друг к дру­гу мас­сив­ные ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­ты мо­гут быть ис­точ­ни­ком мощ­но­го гра­ви­тац. из­лу­че­ния. Так, напр., двой­ная звез­да ι-Во­ло­па­са, две ком­по­нен­ты ко­то­рой име­ют мас­сы по­ряд­ка мас­сы на­ше­го Солн­ца, ис­пус­ка­ет гра­ви­тац. из­лу­че­ние мощ­но­стью по­ряд­ка 2·10²³ Вт с пе­рио­дом ок. 3 ч. Эта мощ­ность рав­на при­мер­но 0,1% мощ­но­сти все­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния на­ше­го Солн­ца. Звез­да ι-Во­ло­па­са от­сто­ит от Солн­ца на рас­стоя­нии 4·10¹⁷ м, и плот­ность по­то­ка мощ­но­сти гра­ви­тац. из­лу­че­ния от неё вбли­зи Зем­ли по­ряд­ка 10^–15 Вт/м².

От­кры­тие в 1972 двой­ных ней­трон­ных звёзд (ком­пакт­ных звёзд ра­диу­сом ок. 10 км и мас­сой по­ряд­ка мас­сы Солн­ца) по­зво­ли­ло про­ве­рить спра­вед­ли­вость фор­му­лы (1): энер­гия на гра­ви­тац. из­лу­че­ние чер­па­ет­ся па­рой звёзд из ста­тич. энер­гии их нью­то­нов­ско­го при­тя­же­ния. В ре­зуль­та­те звёз­ды сбли­жа­ют­ся и, со­от­вет­ст­вен­но, со­кра­ща­ет­ся пе­ри­од об­ра­ще­ния во­круг об­ще­го цен­тра масс звёзд. Пре­ци­зи­он­ные из­ме­ре­ния тем­па со­кра­ще­ния пе­рио­да об­ра­ще­ния этих ней­трон­ных звёзд под­твер­ди­ли спра­вед­ли­вость фор­му­лы (1) с точ­но­стью ±2% (Дж. Тей­лор

Ещё бо­лее мощ­ным ис­точ­ни­ком гра­ви­тац. из­лу­че­ния долж­ны быть ас­т­ро­фи­зич. ка­та­ст­ро­фы. Напр., при слия­нии двух ней­трон­ных звёзд всплеск гра­ви­тац. из­лу­че­ния дол­жен иметь пол­ную энер­гию ок. 10^–2Mc² (где M – мас­са звез­ды), т. е. ок. 10⁴⁵ Дж. Про­дол­жи­тель­ность та­ко­го вспле­ска неск. се­кунд, в те­че­ние ко­то­рых час­то­та Г. в. из­ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких де­сят­ков до не­сколь­ких со­тен Гц, а ам­пли­ту­да сна­ча­ла плав­но на­рас­та­ет, дос­ти­гая мак­си­му­ма на час­то­те ок. 500 Гц, а за­тем рез­ко убы­вает. Ас­т­ро­фи­зич. про­гноз та­ких со­бы­тий – од­но слия­ние при­мер­но один раз в 10⁴ лет в од­ной га­лак­ти­ке. В сфе­ре ра­диу­сом R=10²⁴ м (т. е. ок. 100 млн. све­то­вых лет) со­дер­жит­ся в ср. 10⁵ га­лак­тик. По­это­му на­зем­ный на­блю­да­тель мо­жет ожи­дать про­лёт вбли­зи Зем­ли од­но­го вспле­ска Г. в., об­ра­зо­ван­но­го от слия­ния ней­трон­ных звёзд, при­мер­но 1 раз в ме­сяц.

Ре­ги­ст­ра­ция вспле­ска Г. в. – од­на из це­лей про­грам­мы не­сколь­ких про­ек­тов на­зем­ных гра­ви­тац. ан­тенн, раз­ра­ба­ты­вае­мых в бо­лее чем 20 ла­бо­ра­то­ри­ях раз­ных стран. Кро­ме об­на­ру­же­ния и изу­че­ния фор­мы вспле­сков, пред­по­ла­га­ет­ся об­на­ру­жить и др. гра­ви­та­ци­он­но-вол­новые сиг­на­лы. Осн. эле­мент гра­ви­тац. ан­тен­ны – две проб­ные мас­сы, раз­не­сён­ные на зна­чит. рас­стоя­ние L. Гра­ди­ент ус­ко­ре­ний соз­да­ёт раз­ни­цу ус­ко­ре­ний од­ной мас­сы от­но­си­тель­но дру­гой. Эта раз­ни­ца ус­ко­ре­ний по­ро­ж­да­ет от­но­си­тель­ные ко­ле­ба­ния од­ной мас­сы от­но­си­тель­но дру­гой. Ам­пли­ту­да этих ко­ле­ба­ний $\Delta L≈hL/2$, где h – без­раз­мер­ная ам­пли­ту­да вол­ны, ко­то­рая мо­жет быть рас­счи­та­на из плот­но­сти по­то­ка мощ­но­сти. Для при­ве­дён­но­го вы­ше при­ме­ра вспле­ска из­лу­че­ния от слия­ния ней­трон­ных звёзд, про­изо­шед­ше­го от Зем­ли на рас­стоя­нии 100 млн. све­то­вых лет, ве­ли­чи­на h≈10^–21.

В са­мом боль­шом ме­ж­ду­нар. про­ек­те LIGO (Laser Interferometer Gravitatio­nal Wave Observatory – Ла­зер­ная ин­тер­фе­ро­мет­рич. гра­ви­та­ци­он­но-вол­но­вая об­сер­ва­то­рия) ве­ли­чи­на L=4 км, роль проб­ных масс иг­ра­ют оп­тич. зер­ка­ла мас­сой 20 кг, сво­бод­но под­ве­шен­ные в ва­куу­ме. Эти зер­ка­ла об­ра­зу­ют оп­тич. ре­зо­на­то­ры Фаб­ри – Пе­ро, вхо­дя­щие в со­став вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­но­го ла­зер­но­го ин­тер­фе­ро­мет­ра. В 2006 на этой ан­тен­не дос­тиг­ну­та чув­ст­ви­тель­ность, близ­кая к h≈10^–21, че­му со­от­вет­ст­ву­ет $\Delta L$≈2·10^–18 м. Ко­ле­ба­ния од­но­го зер­ка­ла от­но­си­тель­но дру­го­го с та­ким раз­ре­ше­ни­ем ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ным ла­зер­ным ин­тер­фе­ро­мет­ром за неск. мил­ли­се­кунд. В бли­жай­шие го­ды пла­ни­ру­ет­ся до­ве­сти чув­ст­ви­тель­ность ан­тенн LIGO до h≈10^–22 (т. е. из­ме­рять ко­ле­ба­ния од­но­го зер­ка­ла от­но­си­тель­но дру­го­го с раз­ре­ше­ни­ем $\Delta L$≈2·10^–19 м). В про­ек­те LIGO, кро­ме пря­мой ре­ги­ст­ра­ции Г. в. от слия­ния ней­трон­ных звёзд, в ре­зуль­та­те на­блю­де­ний мож­но оце­нить по­пу­ля­цию ней­трон­ных звёзд во Все­лен­ной, а по фор­ме вспле­ска по­лу­чить ин­фор­ма­цию об их внутр. струк­ту­ре и урав­не­ние со­стоя­ния ве­ще­ст­ва внут­ри та­ких звёзд. Кро­ме вспле­сков от слия­ния ней­трон­ных звёзд, мож­но так­же ожи­дать об­на­ру­же­ния Г. в. от взры­ва сверх­но­вых звёзд и от не­сим­мет­рич­ных пуль­са­ров.

В 2004 на­ча­лись пред­ва­рит. ис­сле­до­ва­ния по соз­да­нию кос­мич. ла­зер­ной гра­ви­тац. ан­тен­ны (ме­ж­ду­нар. про­ект LISA: Laser Interferometer Space Antenna), в ко­то­рой проб­ные мас­сы рас­по­ло­же­ны на спут­ни­ках, уда­лён­ных друг от дру­га на рас­стоя­ние L≈5 млн. км. Пред­по­ла­га­ет­ся осу­ще­ст­вить этот про­ект в час­тот­ном диа­па­зо­не от 10^–2 до 10^–5 Гц. С по­мо­щью та­ких ан­тенн, воз­мож­но, уда­стся за­ре­ги­ст­ри­ро­вать гра­ви­тац. из­лу­че­ние от ис­точ­ни­ков с рас­стоя­ний, близ­ких к кос­мо­ло­ги­че­ским (т. е. R≈3·10²⁶ м).