Тайны открытий XX века

При столкновении черных дыр возникают гравитационные волны. Перед вами компьютерная модель подобной коллизии

Согласно общей теории относительности, действие гравитации распространяется не мгновенно, а со скоростью света. И, подобно тому, как в электромагнитной теории Максвелла ускоренно движущиеся заряды порождают электромагнитные волны, так и ускоренно движущиеся массы должны создавать гравитационные волны — своего рода «сотрясения», периодические колебания пространства-времени.

Подобные волны пронизывают пространство, словно сейсмические волны — Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща материи, лежащая на их пути, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн материя, лежащая на их пути, — поясняет Торн, — поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он изменился бы на миг всего… на один диаметр атома.

Попробуйте уловить подобные — неощутимые — колебания! Теоретики убеждают нас в том, что доказать существование гравитационных волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как это сделать, и… кивают на практиков. Только как измерить все эти волны? Порой кажется, что прибор подобной чувствительности построить нельзя. Легко советовать: «Возьмите груз и детектор…»

Легко говорить: «Представим себе мост, выстроенный от Земли до…»

* * *

Астрономы делят источники гравитационных волн на несколько классов.

«Барстеры», кратковременные источники волн, в считанные доли секунды излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают барстеры при взрывах звезд и столкновении черных дыр. Их мощность достигает примерно 10⁴⁵ (десять в сорок пятой степени) ватт.

Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды (пульсары). Для их отслеживания нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров. В 2013 году для наблюдения за этими волнами планируется запустить в космос три зонда (в этом проекте участвуют европейские и американские ученые). В 50 миллионах километров от Земли они образуют равносторонний треугольник с длиной стороны 5 миллионов километров. Точность подобного детектора будет в миллионы раз выше, нежели наземных установок.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также при наложении слабых или очень отдаленных единичных событий. Можно назвать такие процессы, как: 1) столкновения первых звезд, возникших вскоре после Большого Взрыва, 2) процессы, протекавшие в молодой Вселенной и вызвавшие нарушения пространственно-временной структуры, 3) реликты Большого Взрыва, а также 4) гравитационное торможение — оно наблюдается, когда две звезды пролетают мимо друг друга.

2013 году для наблюдения за гравитационными волнами планируется запустить в Космос три зонда

Подсчитано, что длина гравитационной волны, создаваемая, например, сверхновой звездой, составляет около 300 километров, а частота — порядка 1000 герц. В принципе, эти волны находятся в акустическом диапазоне, но мы не слышим их из-за их крайне малой амплитуды.

В окрестностях Ганновера сооружена установка GEO-600 для наблюдения за гравитационными волнами

Американский инженер и физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета еще в конце пятидесятых годов размышлял о том, как измерить «пространственно-временные завитки». Он же первым стал оборудовать гравитационные детекторы. В его исполнении это были алюминиевые цилиндры длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. Каждый из них весил одну тонну. Когда гравитационная волна пересекает подобный цилиндр, его концы сжимаются и расширяются на неимоверно малую величину. Уэбер пытался измерить эти крохотные осцилляции. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его измерить. Однако ученый потерпел неудачу. Он не сумел зафиксировать эти неуловимые колебания.

Более тридцати лет назад советские ученые Герценштейн и Пустовойт, а также Райнер Вайс из Массачусеттского технологического института предложили использовать для измерения гравитационных волн лазерные интерферометры. Фиксируя разность фаз двух лазерных лучей, теоретически можно заметить деформацию пространства.