Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Существуют проекты регистрации оптического излучения широких атмосферных ливней из космоса. В этом случае можно будет просматривать колоссальную площадь (десятки процентов площади Земли), что позволило бы регистрировать редкие частицы еще бóльших энергий (если они существуют).

13.9. Детекторы гравитационных волн

Гравитационные волны – это распространяющиеся колебания гравитационного поля, предсказанные Эйнштейном в двух работах 1916 и 1918 гг. Поскольку общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации, то часто говорят, что гравитационные волны – это волны пространства-времени.

Гравитационные волны испускаются ускоренно движущимися объектами. Однако для этого подходят не все виды движения: скажем, вращающийся идеальный шар не будет источником гравитационных волн, как и цилиндр, вращающийся вокруг своей оси, а вот вращающееся вытянутое тело вроде мяча для регби (при вращении вокруг одной из своих коротких осей) генерирует гравитационные волны. Гравитационные волны могут также излучаться и при пульсационных изменениях формы тела (но она опять же не должна быть идеально симметричной).

Скорость гравитационных волн в общей теории относительности равна световой. Как и другие волны, гравитационные обладают частотой и длиной волны (эти величины, как и у любых волн, связаны между собой). Частота волн связана с характеристиками источника (например, с частотой вращения или пульсаций).

В астрофизике существует несколько потенциальных достаточно мощных источников гравитационных волн. Самые длинные волны связаны с процессами в ранней Вселенной на стадии инфляции. Их максимальная длина волны по порядку величины соответствует размеру видимой части Вселенной, а минимальная частота обратна ее возрасту. Далее заметный фон гравитационного излучения могут составлять двойные звезды в нашей Галактике, а также пары сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Слияния сверхмассивных черных дыр должны порождать гравитационно-волновые всплески, длина волны при этом будет составлять примерно от долей (1 a.е. = 150 млн км) до сотни, а частота – от нескольких до долей миллигерц в зависимости от масс сливающихся дыр.

Сильными астрофизическими источниками гравитационных волн в первую очередь являются сливающиеся черные дыры и нейтронные звезды.

Черные дыры звездных масс при слиянии дают всплески на частоте от десятков до сотен герц. Чем больше масса, тем ниже частота, поскольку у черных дыр размер прямо пропорционален массе, а значит, с ростом массы растут периоды обращения прямо перед слиянием и длина испускаемой волны. Сливающиеся нейтронные звезды должны давать основной сигнал на частоте около 1 кГц. Именно под такие события – слияния компактных объектов звездных масс – проектировались наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo (и именно такие сигналы удалось уловить в сентябре 2015 г. и позже). Наконец, взрывы сверхновых могут давать сигнал на частоте в несколько килогерц.

Регистрация гравитационных волн разной длины требует разных подходов. Сейчас разработано шесть методов для наблюдения гравитационных волн, три из них являются непосредственными, а три – косвенными. Однако, прежде чем перейти к методам обнаружения, напомним, откуда взялась уверенность в самом существовании гравитационных волн.

Первые детекторы гравитационных волн начали строить в 1960-е гг. Это были резонансные антенны.

В 1975 г. Рассел Халс (Russel Hulse) и Джозеф Тейлор (Joseph Taylor) открыли необычный радиопульсар, входящий в состав двойной системы, состоящей из двух нейтронных звезд. По мере обращения вокруг общего центра масс такая система за счет излучения гравитационных волн теряет довольно много энергии. Поймать эти волны сложно, но зато можно увидеть последствия их излучения: ведь волны уносят импульс и энергию, и поэтому орбитальный период системы сокращается. Анализ результатов наблюдений этой системы показал, что ее поведение прекрасно описывается в рамках ОТО (за эти работы Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике). Это является подтверждением того, что система испускает гравитационные волны.