Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Другой пример ближе к жизни, и мы рассмотрим его подробнее. Пусть две звезды одинаковой массы m, вращаются по одной и той же окружности вокруг общего центра масс. Они все время находятся друг против друга на расстоянии 2R (рис. 10.3). Пусть плоскость орбиты совпадает с плоскостью х0у, а угловая частота вращений равна ω, она связана с орбитальным периодом как Т = 2π/ω. Тогда ненулевыми компонентами квадрупольного момента являются:

Рис. 10.3. Модель двух звёзд

Начальное состояние соответствует t = 0, массы расположены на оси 0х. В данный момент компоненты квадруполя будут такими же, как в модели с пружинкой, т, е. независимой является только одна компонента.

Конечно, и такая система должна излучать. Поскольку движение обусловлено гравитационным взаимодействием, то ω и R связаны уравнением mω²R= Gm²/4R

². Тогда, после усреднения по периоду и представления ω через R, мощность гравитационного излучения выражается формулой:

Система излучает тем интенсивнее, чем меньше R (или чем больше частота вращения ω, как следует из их уравнения связи).

Чтобы проиллюстрировать насколько мало гравитационное излучение, приведём следующий пример. В Солнечной системе, наибольшая мощность гравитационного излучения возникает в паре Солнце + Юпитер. Это излучение можно рассчитать по аналогичной формуле. В результате получим примерно 5 кВт (это всего лишь мощность пяти больших бытовых кипятильников советских времён). Энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с кинетической энергией этих тел.

Необходимо сказать несколько слов о направленности гравитационного излучения. В случае с грузами на пружинке по её оси вообще нет излучения, а максимум — в направлении перпендикулярном пружинке. В случае кругового движения интенсивность излучения в направлении перпендикулярном плоскости орбиты в несколько раз больше, чем в направлениях, лежащих в плоскости. Связаны эти особенности с тем, что излучаемая гравитационная волна является поперечной.

Источники гравитационного излучения

   — Возьмём две звезды, разгоним

почти до скорости света и столкнём.

Что произойдёт?

   — Нехилый коллайдер получится…

Из форума

Слабость гравитационного излучения оставляет мало шансов для его регистрации. Где же искать подходящие источники? Наш соотечественник, замечательный физик- теоретик Владимир Фок (1898–1974), рис. 10.4, был первым, кто в 1948 году обратил внимание на возможность детектирования гравитационного излучения, возникающего при астрофизических катастрофах. Детальный анализ позволяет сделать вывод, что наиболее перспективными источниками гравитационных волн будут компактные объекты, размеры которых сравнимы с гравитационным радиусом, а скорости сравнимы со скоростью света. Согласно расчётам, при слиянии двух нейтронных звёзд излучается около 10⁴⁵Дж в виде всплеска гравитационного излучения, т. е. около 1% от их полной энергии.

Теперь подробнее о космических источниках.

Вспышки сверхновых. Итак, наиболее перспективные источники гравитационных волн должны быть компактными и иметь большие скорости движения масс, формирующих ненулевой квадрупольный момент.

Рис. 10,4. Владимир Фок

Такие экстремальные физические условия могут сопутствовать рождению нейтронных звёзд или чёрных дыр во время коллапсов ядер массивных звёзд. Эту модель эволюции звёзд мы вкратце рассмотрели выше. Невозможно дать надёжный расчёт этого процесса, хотя и можно ожидать значительной несферичности коллапса. Современная приблизительная оценка энергии, излучённой в виде гравитационных волн за время коллапса, — 10–9–10–3 М_☉с², где М_☉ — масса Солнца. Такой импульс от сверхновой в нашей Галактике (пусть с расстояния порядка 10 кпк) дошёл бы до нас с амплитудой h ~ 10^–21. Вспышки сверхновых в нашей Галактике происходят в среднем 1 раз в 30–50 лет, поэтому вероятность зарегистрировать такое событие не очень велика.

Но чувствительность детекторов (о них будем говорить далее) возрастает, а значит и область пространства, доступная для наблюдений таких событий, тоже увеличивается, охватывая и соседние галактики. В результате вероятность регистрации событий становится все больше. Однако теоретически остаётся очень большая неопределённость в расчёте параметров выделяемой энергии в виде гравитационных волн. Это не даёт основания считать сверхновые оптимальными источниками для обнаружения гравитационных волн на современных детекторах.