Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
Шрифт:
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
180-летнюю историю черных дыр все-таки можно назвать историей со счастливым концом - сейчас они считаются экспериментально обнаруженными объектами. Зато с гравитационными волнами - явлением, представляющим феноменальный интерес, ситуация выглядит значительно сложней и, пожалуй, драматичней.
Следует подчеркнуть, что теория гравитации с самого начала развивалась как сугубо статическая. Закон Ньютона фиксировал вид силы, действующей между двумя массами на определенном расстоянии, и не касался иных задач. После создания специальной теории относительности стало ясно, что любое взаимодействие должно распространиться с конечной скоростью, не превышающей с. Это следовало отнести и к гравитации. Отсюда
Предсказание таких волн - одно из первых и почти очевидных следствий эйнштейновской общей теории относительности. Гравитационные волны появляются в простейшем линейном приближении этой теории в качестве решений, во многом похожих на то, что известно из электродинамики. Оставалось только обнаружить новые волны экспериментально и получше их использовать. Впереди маячили блестящие перспективы генерации тяготения в иные миры, дистанционного управления кривизной пространства-времени...
Эти перспективы маячат до сих пор, реализовавшись пока лишь на страницах научной фантастики. И вот почему так получилось.
Уравнения Эйнштейна очень сложны и в отличие от уравнений максвелловской электродинамики нелинейны. Поэтому получить физически прозрачное точное решение для гравитационной волны нелегко, трудно даже определить однозначный критерий ее существования и, тем более, дать полную постановку задачи на излучение. Более того, длительное время мнения теоретиков колебались между безусловным признанием реальности этих волн и полным ее отрицанием.
Несколько определенней выглядит ситуация с заведомо слабыми гравитационными волнами, которые представляются чем-то вроде небольшой колебательной ряби на фоне данной геометрической структуры пространства-времени (чаще всего плоского или соответствующего фридмановским моделям). Физический анализ здесь много проще, но приближения есть приближения, оценки их пригодности тоже очень непростое дело.
Разумеется, все рассуждения крайне сократились бы, заготовь природа какой-то источник, доступный прямому и достаточно простому эксперименту. Именно в его отсутствии кроется главная причина всех трудностей. Слишком мал поток энергии, который могут давать более или менее понятные источники гравитационных волн.
Для системы Солнце-Юпитер излучаемая мощность достигает всего несколько сотен ватт, а длина волны около 2 парсеков! Гораздо сильней излучают тесные системы двойных звезд - их гравитационная светимость достигает 2.1025 Ватт, то есть нескольких процентов от общей светимости Солнца (L( ? 3,8.1026 Вт). Юпитер близок, но дает слишком малую мощность, двойные звезды неплохо излучают гравитационные волны, но, увы, далеки поток от конкретной пары вряд ли доступен регистрации. Общий поток гравитационного излучения 20 миллионов двойных звезд Галактики вблизи поверхности Земли не превышает 10-10 Вт/м2 (попробуйте уловить 1 Ватт мощности, рассеянный по площадке со стороной 100 км!).
Наряду с такими стационарными излучателями большую роль могут играть импульсные вспышки, связанные с внезапным сближением и даже столкновениями звезд в скоплениях и, особенно, в центральных областях галактик. Например, при прямом столкновении двух звезд типа Солнца около 1/800 части их суммарной массы может выделиться в импульс гравитационного излучения - за очень небольшое время выделится до 4,5.1044 Дж энергии. Гораздо эффективней двойных звезд должны испускать гравитационные волны такие космические объекты, как пульсары, квазары и черные дыры. При не слишком сильных допущениях гравитационная светимость несколько деформированной вращающейся нейтронной звезды может достигать 1031 Вт, то есть порядка пятой части общей светимости.
Еще более впечатляющая картина вырисовывается при взрывах квазаров, гравитационная светимость которых квадратично
Для взрыва с характерным энерговыделением 1052 Джоулей за время порядка 3-х лет гравитационная светимость достигает 1038 Ватт. Это, пожалуй, превышает полную светимость звезд обычной Галактики.
Другой не менее эффектный механизм мощнейшего гравитационного импульса - слияние черных дыр, когда в излучение переходит около 30 % их суммарной массы.
Кроме анализа таких астрофизических источников в настоящее время ведется активный поиск излучателей земного (желательно даже лабораторного) масштаба - от несимметричных взрывов атомных бомб и сверхмощных лазерных импульсов до обычных вращающихся стержней и пульсирующих оболочек. Разумеется, чисто лабораторный эксперимент во многих отношениях удобней. Он дает возможность более подробного изучения явлений за счет регулировки параметров источника. С астрофизическими объектами в этом плане пока мы бессильны - звезды излучают "когда им хочется и так, как можется", не слишком считаясь с нашими интересами. С другой стороны, все до сих пор изученные методы искусственной генерации страдают общим недостатком: они ведут к очень ограниченным мощностям. В этой связи было бы очень любопытно поискать пути к усилению гравитационного излучения за счет каких-то когерентных систем излучателей - в духе лазерного эффекта в оптике. К сожалению, аналогия повисает здесь над ущельями многих и многих неясностей.
Убедившись в том, что гравитационное излучение способно возникнуть во многих ситуациях, обратимся теперь к несколько драматической истории его открытия. Дело в том, что уже в 1969 году американский физик Дж. Вебер опубликовал сообщение о регистрации новых волн.
В качестве детектора Вебер использовал полутораметровый алюминиевый цилиндр радиусом 30 см и массой в полторы тонны. Цилиндр максимально изолировался от случайных воздействий - его подвешивали в вакуумной камере на проволочных креплениях. Собственные колебания цилиндра с частотой 1661 Герц после возбуждения затухали примерно за 10 секунд, то есть он успевал совершить до 100 тысяч колебаний. Чувствительность детектора была столь велика, что он мог регистрировать сокращение длины порядка 10-15 см. Механические колебания, вызванные каким-то внешним импульсом, преобразовывались в электрические сигналы специальными пьезоэлектрическими датчиками, укрепленными посреди цилиндра. Совершенно такая же регистрирующая система была смонтирована почти за 1000 км от основной лаборатории*.
*Один из цилиндров находился в лаборатории Мэрилендского университета, другой - недалеко от Чикаго, в Аргоннской Национальной Лаборатории.
Вскоре после начала опытов Вебер отметил, что в обоих цилиндрах в среднем раз в две недели одновременно возникают колебания, и никаких причин, кроме возможной регистрации искомых волн, для этих колебаний не видно. Более того, Вебер рассчитал местонахождение источника излучения где-то в центре Галактики.
Публикация результатов прозвучала сенсационно и в то же время вполне реалистически: в неизбежность этого открытия верили более полувека. Трудно назвать хоть одно физическое явление, к открытию которого физики были бы морально готовы в такой степени.
Но очень быстро наступил более пессимистический момент. Теоретики сообразили, что поток излучения, зарегистрированный приборами Вебера (10-3 - 10-1 Bт/см2), слишком велик - необходимо еще придумать источник, способный к столь активной генерации. Если бы центр Галактики излучал именно так, то он попросту целиком высветился бы в форме гравитационных волн примерно за 10 миллионов лет, что в 1000 раз меньше минимально допустимого возраста Галактики.
Так родилась любопытнейшая проблема - что именно зарегистрировано в опытах Вебера? По этому поводу формулировались самые разные гипотезы, но окончательной ясности так и нет.