Маленькая книга о чёрных дырах

Еще более существенное различие между звуком и гравитационной волной заключается в том, что звуку требуется среда, в которой он мог бы распространяться. Обычно это воздух, но звук может распространяться и в воде, и в твердом веществе. Но в вакууме звука не существует. А свет может распространяться в вакууме, и гравитационные волны тоже. По современным представлениям, средой для гравитационной волны является пространство-время, аналогично тому, как для звуковой волны средой является вещество. С этой точки зрения именно поперечный характер гравитационных волн, а вовсе не присутствие или отсутствие материальной среды как таковой, отличает их от звуковых.

Поперечность гравитационных волн принципиально определяет устройство для их регистрации, детектирования. Потому давайте попробуем сосредоточиться и представить себе, как «выглядит» гравитационная волна. Для лучшей визуализации представим себе, что она распространяется в направлении детектора LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, вертикально сверху вниз. Гравитационная волна не представляет собой ничего, кроме возмущения пространственно-временной метрики, поэтому все, что она может делать, – это менять расстояния. Чтобы разобраться в том, как она это делает, представим себе, что на месте детектора LIGO мы установили трехмерную кубическую решетку измерительных устройств, снабженных синхронизированными часами, так что, обмениваясь световыми сигналами, эти устройства могут отслеживать временны́е изменения пространственных расстояний между ними. (Возможно, ученые, работающие на установке LIGO, делали бы именно это, если бы им позволял бюджет!) Когда гравитационные волны отсутствуют, конфигурация устройств остается неизменной. Что происходит, когда приходит волна? Прежде всего, надо осознать, что вертикальные расстояния вообще не изменятся: гравитационная волна поперечна, а наша волна распространяется вертикально вниз. Однако в горизонтальном направлении «север-юг» расстояния между устройствами сначала увеличатся до некоторого максимального удаления, а потом уменьшатся до минимального, и так будет происходить с каждым новым циклом приходящей волны. В направлении «восток-запад» будут наблюдаться такие же изменения расстояний, но в фазе, в точности противоположной изменениям расстояний в направлении «север-юг». Другими словами, гравитационная волна одновременно растягивает пространство в направлении «север-юг» и сжимает его в направлении «восток-запад», а потом наоборот.

Детектор LIGO в Ливингстоне гораздо проще нашей воображаемой кубической решетки измерительных устройств. Одно его плечо тянется на 4 километра, отклоняясь на несколько градусов к востоку от направления строго на юг по мере удаления от центрального узла установки, а другое – на 4 километра под прямым углом к первому, отклоняясь на несколько градусов на юг от направления строго на запад. Для наших целей точные направления плеч не имеют значения, поэтому в этом пояснении будем считать, что они идут точно на юг и на запад. Не будет слишком большой идеализацией сказать, что, в сущности, LIGO представляет собой три измерительных устройства такого же типа, как мы описали в предыдущем абзаце: одно в центральном узле и по одному на конце каждого плеча. И вся виртуозная лазерная интерферометрия, на основе которой работает установка LIGO, может в идеале быть представлена как обмен световыми сигналами между устройствами с целью проследить, как будут меняться с течением времени расстояния между ними. В действительности LIGO фиксирует изменения со временем не абсолютных расстояний, а разностей расстояний вдоль двух плеч установки. Короче говоря, LIGO измеряет пространство-время в гораздо меньших подробностях, чем наша воображаемая кубическая батарея измерительных устройств, но все же этого вполне достаточно, чтобы зарегистрировать структуру сжатий и растяжений пространства, обусловленных гравитационной волной такого типа, какой мы описали в предыдущем абзаце.

Рис. 6.2. Прохождение гравитационной волны через кубическую решетку. Во всех точках решетки можно представить себе детекторы, которые измеряют изменения расстояний между элементами решетки с течением времени.

Теперь предположим, что к нам приходит гравитационная волна, которая растягивает пространство-время по оси «северо-запад – юго-восток», одновременно сжимая его по оси «северо-восток – юго-запад». Понятно, что гравитационные волны такого типа должны быть столь же обычным явлением, как и волна, которую мы рассматривали до этого. Мы будем называть структуру сжатий и растяжений, ориентированную вдоль направлений «север-юг» и «восток-запад» плюс-поляризованной волной, а структуру, ориентированную вдоль осей «северо-запад – юго-восток» и «северо-восток – юго-запад» – кросс-поляризованной. Эти названия происходят просто от внешнего сходства этих структур с символами + и × соответственно. Иначе говоря, структура плюс-поляризованной волны – это повернутая на 45° кросс-поляризованная волна.