Рябь пространства-времени

Алексей Левин
«Популярная механика» №6, 2006

Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

Джозеф Вебер на фоне своего детектора гравитационных волн в бункере Мэрилендского университета. Этот детектор – одна из первых попыток обнаружения гравитационных волн. Сейчас этот массивный цилиндр находится в Смитсоновском музее в Вашингтоне (фото: www.popularmechanics.ru)

В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил 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. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.

Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа – и не добились ничего.

Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает – он умер в сентябре 2000 года.

Что такое волны тяготения

Конфигурация гравитационных волн, рассчитанная на компьютере, в момент слияния двух черных дыр (изображение: www.popularmechanics.ru)

Часто говорят, что гравитационные волны – это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения – это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.

Гравитационные маяки космоса

Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10^–24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения – найти космический источник гравитационного излучения.

Двойная черная дыра: так искажается пространство-время при вращении двух черных дыр относительно общего центра масс (изображение: www.popularmechanics.ru)

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе – их излучение имеет периодический характер.

В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10⁵⁰ Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10⁵² Вт. Превосходный источник излучения – столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.

Еще один источник гравитационных волн – космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10^–34 секунды ее поперечник увеличился с 10^–33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.

Косвенные подтверждения

Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Гравитационно-волновые антенны

Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один – в Аргоннской национальной лаборатории.

Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.

Холодные измерения. Массивный цилиндр из алюминиево-магниевого сплава на сложной подвеске, охлаждаемый до 0,1 К, служит гравитационно-волновой антенной комплекса AURIGA в итальянской Падуе (фото: www.popularmechanics.ru)

Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10^–15 его длины – в данном случае 10^–13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10^–18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10^–20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10^–18, однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 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, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA – около 10^–20–10^–21.

Интерферометры

Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.

Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет – остаться такой же, что и раньше.

Лазерный интерферометр Ligo. Гравитационные волны деформируют пространство и изменяют длину каждого плеча интерферометра, растягивая одно и сжимая другое. Это обнаруживается при изменении интерференционной картины (изображение: www.popularmechanics.ru)

Интерференционный детектор волн тяготения работает 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 другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 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 длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала – идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, – максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы – воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн – прибор дорогой и громоздкий.

Американский комплекс LIGO (фото: www.popularmechanics.ru)

Сегодня самая большая установка такого рода – американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая – неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, – рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. – Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч – 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность всё же несколько меньше нашей».

Перспективы

Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10^–21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10^–22. Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор 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 Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10^–4–10^–1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30–40 лет».