Пулсация на пространство-времето

Гравитационните вълни, теоретично предсказани от Айнщайн през 1917 г., все още очакват своя откривател.

Скоро обаче последва разочарование. Амплитудите на вълните, за които се твърди, че са записани от Вебер, са били милиони пъти по-високи от теоретичната стойност. Вебер твърди, че тези вълни идват от центъра на нашата галактика, която тогава е била малко известна, покрита с прахови облаци. Астрофизиците предполагат, че там се крие гигантска черна дупка, която поглъща всяка година хиляди звезди и изхвърля част от абсорбираната енергия под формата на гравитационно излъчване, а астрономите напразно търсят по-очевидни следи от този космически канибализъм ( сега е доказано, че там наистина съществува черна дупка, но тя сама по себе си води доста прилично). Физици от САЩ, СССР, Франция, Германия, Англия и Италия започнаха експерименти върху детектори от същия тип - и не постигнаха нищо.

Какво представляват гравитационните вълни

Често се казва, че гравитационните вълни са смущения на гравитационното поле, разпространяващо се в пространството. Това определение е правилно, но непълно. Според общата теория на относителността гравитацията възниква от кривината на пространствено-времевия континуум. Гравитационните вълни са флуктуации на пространствено-времевата метрика, които се проявяват като флуктуации на гравитационното поле, поради което често образно се наричат ​​пространствено-времеви вълни. Гравитационните вълни са теоретично предсказани през 1917 г. от Алберт Айнщайн. Никой не се съмнява в тяхното съществуване, но гравитационните вълни все още очакват своя откривател.

Всяко движение на материални тела, водещо до нехомогенна промяна в силата на гравитацията в околното пространство, служи като източник на гравитационни вълни. Тяло, движещо се с постоянна скорост, не излъчва нищо, тъй като естеството на неговото гравитационно поле не се променя. Необходими са ускорения за излъчване на гравитационни вълни, но не и такива. Цилиндър, който се върти около оста на симетрия, изпитва ускорение, но гравитационното му поле остава еднородно и гравитационните вълни не възникват. Но ако завъртите този цилиндър около друга ос, полето ще започне да се колебае и гравитационните вълни ще потекат от цилиндъра във всички посоки.

Това заключение се отнася за всяко тяло (или система от тела), асиметрично спрямо оста на въртене (в такива случаи се казва, че тялото има квадруполен момент). Система от маса, чийто квадруполен момент се променя с времето, винаги излъчва гравитационни вълни.

Основни свойства на гравитационните вълни

Астрофизиците предполагат, че именно излъчването на гравитационни вълни, отнемащо енергия, ограничава скоростта на въртене на масивен пулсар при поглъщане на материя от съседна звезда.

    В празно пространство те пътуват със скоростта на светлината. Освен това тази скорост почти винаги се запазва при среща с материални обекти, така че гравитационните вълни да не претърпят пречупване. Изключително свръхплотната материя може да намали скоростта на гравитационните вълни, но в други случаи този ефект е незначителен. Амплитудите на гравитационните вълни избледняват с отдалечаване от източника, но не падат до нула: веднъж възникнала гравитационна вълна в известен смисъл е обречена на вечен живот. По-специално, Вселената трябва да бъде проникната от реликтни вълни, наследени от инфлационната фаза. Те съдържат информация за структурата на "ембрионалната" Вселена, която обаче все още трябва да бъде дешифрирана.

Космически гравитационни маяци

Гравитационното излъчване на земните източници е изключително слабо. Стоманена колона с тегло 10 000 тона, окачена от центъра в хоризонталната равнина и развита около вертикалната ос до 600 об/мин, излъчва мощност от около 10-24 вата. Следователно единствената надежда за откриване на гравитационни вълни е да се намери космически източник на гравитационно лъчение.

В това отношение близките двоични звезди са много обещаващи. Причината е проста: мощността на гравитационното излъчване на такава система нараства обратно пропорционално на петата степен на нейния диаметър. Още по-добре е траекториите на звездите да са силно удължени, тъй като това увеличава скоростта на промяна на квадруполния момент. Съвършено добре е, ако двоичната система се състои от неутронни звезди или черни дупки. Такива системи са подобни на гравитационните маяци в космоса - тяхното излъчване е периодично.

В космоса има и "импулсни" източници, които генерират кратки, но изключително мощни гравитационни изблици. Това се случва с колапса на масивна звезда, предшестваща експлозия на свръхнова. Деформацията на звездата обаче трябва да бъде асиметрична, в противен случай няма да се получи радиация. По време на колапса гравитационните вълни могат да отнесат със себе си до 10% от общата енергия на звездата! Мощността на гравитационното излъчване в този случай е около 10 50 W. Още повече енергия се отделя по време на сливането на неутронни звезди, тук пиковата мощност достига 10 52 W. Отличен източник на радиация е сблъсъкът на черни дупки: техните маси могат да надхвърлят масите на неутронните звезди за милиарди пъти.

Друг източник на гравитационни вълни е космологичната инфлация. Веднага след Големия взрив Вселената започва да се разширява изключително бързо и за по-малко от 10 -34 секунди диаметърът й се увеличава от 10 -33 см до макроскопичен размер. Този процес неизмеримо усилва гравитационните вълни, които са съществували преди да започне и техните потомци са оцелели и до днес.

Непряко потвърждение

Първото доказателство за съществуването на гравитационни вълни идва от работата на американския радиоастроном Джоузеф Тейлър и неговия ученик Ръсел Хълс. През 1974 г. те откриват чифт орбитални неутронни звезди (радиоизлъчващ пулсар с безшумен спътник). Пулсарът се завъртя около оста си със стабилна ъглова скорост (което не винаги е така) и следователно служи като изключително точен часовник. Тази характеристика направи възможно измерването на масите на двете звезди и да се установи естеството на тяхното орбитално движение. Оказа се, че орбиталният период на тази двоична система (около 3 часа 45 минути) се намалява ежегодно със 70 μs. Тази стойност е в добро съгласие с решенията на уравненията на общата теория на относителността, описващи загубата на енергия на звездна двойка поради гравитационно излъчване (сблъсъкът на тези звезди обаче няма да се случи скоро след 300 милиона години). През 1993 г. Тейлър и Хълс получиха Нобелова награда за това откритие.

Антени с гравитационна вълна

Как да открием гравитационни вълни експериментално? Уебър използва дебели метрични алуминиеви цилиндри с пиезоелектрични сензори в краищата като детектори. Те бяха внимателно изолирани от външни механични влияния във вакуумна камера. Уебър инсталира два от тези цилиндъра в бункер под голф игрището на Университета в Мериленд и един в Националната лаборатория в Аргон.

Идеята зад експеримента е проста. Пространството под въздействието на гравитационните вълни се свива и разтяга. Поради това цилиндърът вибрира в надлъжна посока, действайки като антена с гравитационна вълна, а пиезоелектричните кристали преобразуват вибрациите в електрически сигнали. Всяко преминаване на космически гравитационни вълни практически едновременно засяга детектори, разделени на хиляда километра, което прави възможно филтрирането на гравитационните импулси от различни видове шум.

Сензорите на Вебер успяха да открият измествания на краищата на цилиндъра, равни на само 10-15 от неговата дължина - в случая 10-13 см. Точно такива вибрации успя да открие Вебер, за което той докладва за първи път през 1959 г. на страниците Писма за физически преглед. Всички опити за повторение на тези резултати бяха напразни. Освен това данните на Вебер противоречат на теорията, която на практика не позволява да се очакват относителни премествания над 10 –18 (а стойности под 10 –20 са много по-вероятни). Възможно е Вебер да е сбъркал при статистическата обработка на резултатите. Първият опит за експериментално откриване на гравитационното излъчване завършва с неуспех.

Впоследствие антените с гравитационна вълна са значително подобрени. През 1967 г. американският физик Бил Феърбанк предлага да ги охлажда в течен хелий. Това не само ни позволи да се отървем от по-голямата част от топлинния шум, но и отвори възможността за използване на SQUIDs (свръхпроводими квантови интерферометри), най-точните свръхчувствителни магнитометри. Осъществяването на тази идея се оказа изпълнено с много технически трудности и самата Fairbank не доживя да я види. До началото на 80-те години физиците от Станфордския университет са изградили инсталация с чувствителност 10-18, но не са открити вълни. Сега в редица страни има ултракриогенни вибрационни детектори на гравитационни вълни, работещи при температури само десети и стотни от градуса над абсолютната нула. Това е например заводът на AURIGA в Падуа. Антената за него е триметров цилиндър, изработен от алуминиево-магнезиева сплав, чийто диаметър е 60 см, а теглото е 2,3 т. Окачен е във вакуумна камера, охладена до 0,1 К. Разклащането му (с честота от около 1000 Hz) се предава на спомагателен резонатор с маса 1 kg, който вибрира със същата честота, но с много по-голяма амплитуда. Тези вибрации се записват чрез измервателно оборудване и се анализират с помощта на компютър. Чувствителност на комплекса AURIGA - около 10 –20 –10 –21 .

Интерферометри

Друг начин за откриване на гравитационни вълни се основава на отхвърлянето на масивни резонатори в полза на светлинните лъчи. Съветските физици Михаил Херценщайн и Владислав Пустовойт са първите, които го предлагат през 1962 г., а две години по-късно и от Вебер. В началото на 70-те години служител на изследователската лаборатория на корпорацията Самолет Хюз Робърт Форвард (бивш студент на Вебер, по-късно много известен писател на научна фантастика) построи първия такъв детектор с доста прилична чувствителност. В същото време професорът от Масачузетския технологичен институт (MIT) Райнер Вайс извърши много задълбочен теоретичен анализ на възможностите за регистриране на гравитационни вълни с помощта на оптични методи.

Тези методи включват използването на аналози на устройството, с помощта на които физикът Алберт Микелсън доказа преди 125 години, че скоростта на светлината е абсолютно еднаква във всички посоки. При тази настройка, интерферометърът на Майкълсън, лъч светлина удря полупрозрачна плоча и е разделен на два взаимно перпендикулярни лъча, които се отразяват от огледала, разположени на същото разстояние от плочата. След това лъчите се сливат отново и падат на екрана, където се появява интерференционен модел (светли и тъмни ивици и линии). Ако скоростта на светлината зависи от нейната посока, тогава, когато завъртите цялата инсталация, тази картина трябва да се промени, ако не, тя трябва да остане същата като преди.

Детекторът за гравитационни смущения работи по подобен начин. Предаваната вълна деформира пространството и променя дължината на всяко рамо на интерферометъра (пътя, по който светлината преминава от разделителя към огледалото), като разтяга едното рамо и компресира другото. Картината за смущения се променя и може да бъде регистрирана. Но това не е лесно: ако очакваната относителна промяна в дължината на рамената на интерферометъра е 10–20, тогава с размер на плота на устройството (като този на Майкълсън) той се превръща в трептения с амплитуда от порядъка на 10 - 18 см. За сравнение: видимите светлинни вълни са 10 трилиона пъти по-дълги! Възможно е да се увеличи дължината на раменете до няколко километра, но проблемите все още ще останат. Лазерният източник на светлина трябва да бъде едновременно мощен и стабилен по честота, огледалата да са идеално равни и да отразяват идеално, вакуумът в тръбите, през които се разпространява светлината, да е възможно най-дълбок, механичната стабилизация на цялата система трябва да бъде наистина перфектно. Накратко, интерференционният гравитационен вълнов детектор е скъп и обемист.

Перспективи

И така, какво е близкото бъдеще за методите за откриване на гравитационни вълни? Професор Райнер Вайс говори за това пред Popular Mechanics: „След няколко години в обсерваториите на комплекса LIGO ще бъдат инсталирани по-мощни лазери и по-модерни детектори, което ще доведе до 15-кратно увеличение на чувствителността. Сега тя е 10 –21 (при честоти около 100 Hz), а след модернизацията ще надхвърли 10 –22. Модернизираният комплекс Advanced LIGO ще увеличи дълбочината на проникване в космоса с 15 пъти. Професор от Московския държавен университет Владимир Брагински, един от пионерите в изследването на гравитационните вълни, участва активно в този проект.

В средата на следващото десетилетие стартирането на космическия интерферометър LISA (Лазерна интерферометрова космическа антена) с дължина на рамото 5 милиона километра, това е съвместен проект на НАСА и Европейската космическа агенция. Чувствителността на тази обсерватория ще бъде стотици пъти по-висока от възможностите на наземните инструменти. Той е предназначен предимно за търсене на гравитационни вълни с ниска честота (10 –4 –10 –1 Hz), които не могат да бъдат уловени на повърхността на Земята поради атмосферни и сеизмични смущения. Такива вълни се излъчват от бинарни звездни системи, които са доста типични обитатели на Космоса. LISA също ще може да открива гравитационни вълни, генерирани от поглъщането на обикновени звезди от черни дупки. Но за откриване на реликтни гравитационни вълни, носещи информация за състоянието на материята в първите моменти след Големия взрив, най-вероятно ще са необходими по-модерни космически инструменти. Такава обстановка, Наблюдател от Големия взрив, в момента се обсъжда, но е малко вероятно да бъде възможно да се създаде и стартира по-рано от 30-40 години ".