Рябь пространства-времени

В конце 1969 года доктор физических наук Мэрилендского университета Джозеф Вебер заявил. Он сказал, что нашёл волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной.

Но Вебер слыл авторитетом в собственной области, и посему сотрудники восприняли его сообщение с полной серьезностью.

Но скоро наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми тучами центра отечественной Галактики, о котором тогда было мало что известно.

Астрофизики высказали предположение, что в том месте прячется огромная черная дыра, которая каждый год пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрологи занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (на данный момент доказано, что черная дыра в том месте вправду имеется, но ведет она себя в полной мере пристойно). Физики из америки, СССР, Франции, Германии, Италии и Англии приступили к опытам на детекторах того же типа — и не добились ничего.

Ученые до сих пор не знают, чему приписать необычные показания устройств Вебера. Но его упрочнения не пропали бесплатно, не смотря на то, что гравитационные волны до сих пор так и не найдены. Пара установок для их поиска уже выстроены либо строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос.

В полной мере быть может, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же замечаемой физической действительностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не определит — он погиб в сентябре 2000 года.

Что такое волны тяготения

Довольно часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение верно, но неполно. В соответствии с неспециализированной теории относительности, тяготение появляется из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, каковые проявляют себя как колебания гравитационного поля, исходя из этого их довольно часто образно именуют пространственно-временной рябью.

Гравитационные волны были в 1917 теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны все еще ждут собственного первооткрывателя.

Источником гравитационных волн помогают каждые перемещения материальных тел, приводящие к неоднородному трансформации силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, потому, что темперамент его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения нужны ускорения, но не каждые.

Цилиндр, что вращается около собственной оси симметрии, испытывает ускорение, но его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не появляются. А вот в случае если раскрутить данный цилиндр около второй оси, поле станет осциллировать и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Данный вывод относится к любому телу (либо совокупности тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Совокупность весов, квадрупольный момент которой изменяется со временем, постоянно излучает гравитационные волны.

Гравитационные маяки космоса

Гравитационное излучение земных источников очень слабо. Металлическая колонна массой 10 000 тысячь киллограм, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная около вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность приблизительно 10-24 Вт. Исходя из этого единственная надежда найти волны тяготения — отыскать космический источник гравитационного излучения.

В этом замысле очень перспективны тесные двойные звезды. Обстоятельство несложна: мощность гравитационного излучения таковой совокупности растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Значительно лучше, в случае если траектории звезд очень сильно вытянуты, поскольку наряду с этим возрастает скорость трансформации квадрупольного момента.

Совсем прекрасно, в случае если двойная совокупность складывается из нейтронных звезд либо черных дыр. Такие совокупности подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический темперамент.

Холодные измерения Массивный цилиндр из алюминиево-магниевого сплава на сложной подвеске, охлаждаемый до 0,1 К, помогает гравитационно-волновой антенной комплекса AURIGA в итальянском городе Падуя.

В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие маленькие, но очень замечательные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Но деформация звезды должна быть асимметричной, в противном случае излучение не появится.

На протяжении коллапса гравитационные волны смогут унести с собой до 10 процентов полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае образовывает порядка 1050 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, тут пиковая мощность достигает 1052 Вт.

Отличный источник излучения — столкновение черных дыр: их веса смогут быть больше массы нейтронных звезд в миллиарды раз.

Еще один источник гравитационных волн — космологическая инфляция. Сразу после Громадного взрыва Вселенная начала очень скоро расширяться, и меньше чем за 10-34 секунды ее поперечник увеличился с 10-33 см до макроскопического размера. Данный процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.

Косвенные подтверждения

Первое подтверждение существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В первой половине 70-ых годов XX века они нашли несколько обращающихся приятель около приятеля нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с немногословным компаньоном). Пульсар вращался около собственной оси со стабильной угловой скоростью (что не редкость далеко не всегда) и исходя из этого служил только правильными часами.

Эта особенность разрешила измерить массы обеих звезд и узнать темперамент их орбитального перемещения. Оказалось, что период обращения данной двойной совокупности (около 3 ч 45 мин) каждый год уменьшается на 70 мкс. Эта величина прекрасно согласуется с ответами уравнений неспециализированной теории относительности, обрисовывающих утрату энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (но, столкновение этих звезд произойдёт нескоро, через 300 млн. лет).

В первой половине 90-ых годов двадцатого века Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Двойная черная дыра Так искажается пространство-время при вращении двух черных дыр довольно центра масс.

Гравитационно-волновые антенны

Как найти гравитационные волны экспериментально? Вебер применял в качестве детекторов целые алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с большой тщательностью изолировали от внешних механических действий в вакуумной камере.

Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один — в Аргоннской национальной лаборатории.

Мысль опыта несложна. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Именно поэтому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы.

Любое прохождение космиче-ских волн тяготения фактически в один момент действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что разрешает отфильтровать гравитационные импульсы от разного рода шумов.

Веберовские датчики были в состоянии подметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10-15 его длины — в этом случае 10-13 см. Как раз такие колебания Веберу удалось найти, о чем он в первый раз и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты были тщетными. Эти Вебера к тому же противоречат теории, которая фактически не разрешает ожидать относительных смещений выше 10-18 (причем значительно возможнее значения менее 10-20).

Нельзя исключать, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально найти гравитационное излучение закончилась неудачей.

В будущем гравитационно-волновые антенны существенно усовершенствовали. Во второй половине 60-ых годов XX века американский физик Билл Фэйрбанк внес предложение охлаждать их в жидком гелии. Это не только разрешило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), правильнейших сверхчувствительных магнитометров.

Реализация данной идеи была сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета выстроили установку с чувствительностью 10-18, но волн не зарегистрировали. на данный момент в ряде государств действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, действующий при температурах только на десятые и сотые доли градуса выше безотносительного нуля.

Такова, к примеру, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее помогает трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого образовывает 60 см, а вес — 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, что колеблется с такой же частотой, но большое количество большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются посредством компьютера.

Чувствительность комплекса AURIGA — около 10-20-10-21.

Слияние Конфигурация гравитационных волн, рассчитанная на компьютере, в момент слияния двух черных дыр.

Интерферометры

Еще один метод детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в первой половине 60-ых годов двадцатого века его внесли предложение советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позднее и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Нападающий (в прошлом аспирант Вебера, в будущем общеизвестный писатель-фантаст) выстроил первый таковой детектор с в полной мере приличной чувствительностью.

Тогда же доктор наук Массачусетсского технологического университета (MIT) Райнер Вайсс выполнил весьма глубочайший теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн посредством оптических способов.

Эти способы предполагают применение аналогов прибора, благодаря которому 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго однообразна по всем направлениям. В данной установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, каковые отражаются от зеркал, расположенных на однообразном расстоянии от пластинки.

После этого пучки снова сливаются и падают на экран, где появляется интерференционная картина (яркие и линии и тёмные полосы). В случае если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картина обязана измениться, в случае если нет — остаться такой же, что и раньше.

Интерференционный детектор волн тяготения трудится сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая второе. Интерференционная картина изменяется, и это возможно зарегистрировать.

Но это непросто: в случае если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра образовывает 10-20, то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10-18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн. раз дольше! Возможно расширить протяженность плеч до нескольких километров, но неприятности все равно останутся.

Лазерный источник света должен быть и замечательным, и стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей совокупности — воистину идеальной. Другими словами, интерференционный детектор гравитационных волн — прибор дорогой и громоздкий.

Сейчас самая громадная установка для того чтобы рода — американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он складывается из двух обсерваторий, одна из которых находится на берегу Тихого Океана США, а вторая — рядом от Мексиканского залива. Измерения создают посредством трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины.

Установка снабжена зеркальными накопителями света, каковые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три отечественных интерферометра трудятся в обычном режиме, — поведал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, доктор физических наук Сиракузского университета. — Мы всегда обмениваемся данными с другими обсерваториями, пробующими найти гравитационные волны частотой в сотни и десятки герц, появившиеся при самых замечательных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных чёрных дыр и звёзд. на данный момент в строю находится германский интерферометр GEO 600 (протяженность плеч — 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера.

300-метровый японский прибор TAMA на данный момент модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к неспециализированным упрочнениям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, не смотря на то, что их чувствительность все же немного меньше отечественной».

Фундаментальные особенности гравитационных волн Астрофизики предполагают, что именно излучение гравитационных волн, отбирая энергию, ограничивает скорость вращения массивного пульсара при поглощении вещества соседней звезды.

1. В безлюдном пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость фактически постоянно сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в других случаях данный эффект пренебрежимо мелок.

Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, но не падают до нуля: единожды появившаяся волна тяготения в определенном смысле обречена на вечную судьбу. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, действительно, еще нужно умудриться расшифровать.

2. Волны тяготения — поперечные. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Жёсткое тело, попавшее в область фронта гравитационной волны, будет испытывать деформации как раз в данной плоскости (какие конкретно как раз, зависит от характера волны).

3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей их материи. Исходя из этого со временем звезды двойной совокупности сближаются и период их обращения около центра масс значительно уменьшается.

Возможности

Что же ожидает способы обнаружения гравитационных волн в скором времени? Об этом «Популярной механике» поведал доктор наук Райнер Вайсс: «Через пара лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более замечательные лазеры и более идеальные детекторы, что приведет к 15-кратному повышению чувствительности. на данный момент она образовывает 10-21 (на частотах порядка 100 Гц), а по окончании модернизации превысит 10-22.

Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте участвует доктор наук МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.

На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Космического агентства ЕС. Чувствительность данной обсерватории будет в много раз выше, чем возможности наземных инструментов.

Она прежде всего предназначена для поиска низкочастотных (10-4-10-1 Гц) гравитационных волн, каковые нереально уловить на поверхности Почвы из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные совокупности, в полной мере обычные жители Космоса. LISA кроме этого сможет регистрировать волны тяготения, появившиеся при поглощении черными дырами обычных звезд.

А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих данные о состоянии материи в первые мгновения по окончании Громадного взрыва, вероятнее, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, на данный момент обсуждается, но вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30−40 лет».

Статья «Рябь пространства-времени» размещена в издании «Популярная механика» (№44, июнь 2006).

Астрофизик Сергей Попов — Гравитационные волны

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Наши клетки чувствуют сообща

  Межклеточные контакты оказывают помощь клеткам в тканях согласовать собственные ощущения от внешних сигналов. Весьма в далеком прошлом кое-какие из…

• Самодельный генератор для велосипеда (бесконтактный)

  В сети видятся по большей части контактные варианты велогенераторов, основанные на применении трущихся частей. Электричество, вырабатываемая такими…

• Как восстановить никель кадмиевый аккумулятор шуруповерта

  Канал nespokoyniy поведал, как вернуть севшую акб, которая установлена на шуруповерте. В нашем случае никель кадмиевый аккумулятор. Приобрести все для…