<
>
Ідея існування гравітаційних хвиль сходить до робіт Ейнштейна, точніше, до створеної ним до 1916 року загальної теорії відносності (ЗТВ) - теорії простору і часу, що об'єднала ці два поняття. Загальна теорія відносності, по суті, - це теорія гравітації, що встановлює зв'язок тяжіння з геометрією простору - часу. Геометричні властивості чотиривимірного простору-часу, як і звичайного тривимірного простору, цілком визначаються знаходиться в просторі матерією, яка створює гравітаційне поле. Вплив гравітації на геометрію проявляється в тому, що вона викривляє простір-час. Ми не можемо уявити собі це наочно (як у випадку двомірного "простору", скажімо, аркуша паперу, який легко уявити собі і плоским і зігнутим), але можемо описати математично.
Ейнштейн показав, що в поле тяжіння простір - час володіє кривизною. Слабкою кривизни відповідає звичайна ньютонівська гравітація, керуюча Сонячною системою. Але в потужних гравітаційних полях, створюваних масивними космічними об'єктами, простір-час викривлене дуже сильно. А якщо такий об'єкт здійснює коливальний або обертальний рух, кривизна змінюється. Поширення цих змін (збурень) в просторі народжує "хвилі кривизни", які і отримали назву гравітаційних хвиль (див. "Наука і життя" №11, 1969 р .; № 1, 1972 р .; № 8, 1989 г.). І подібно до того, як електромагнітна хвиля з квантово-механічної точки зору являє собою потік фотонів, квантування хвилі гравітаційної призводить до поняття Гравітон - частинки з нульовою масою спокою.
Випромінювання хитаються масами гравітаційних хвиль дуже нагадує випромінювання електромагнітних хвиль хитаються електричними зарядами. Згідно ОТО, гравітаційні хвилі мають таку ж швидкість, як електромагнітні хвилі, і теж переносять енергію. Вони викликають рух (зміщення) тел, що зустрічаються на їхньому шляху, але очікуваний ефект настільки малий, що до сих пір не виявлено. Ще в 1916 році Ейнштейн обчислив потужність гравітаційного випромінювання обертового стрижня довжиною 1 метр. Якщо навіть розкрутити його до такої швидкості, що відцентрова сила досягне межі міцності матеріалу на розрив, потужність випромінювання виявиться рівною всього-на-всього 10-37 Вт, що зареєструвати неможливо.
Це робить абсолютно нереальним виявлення гравітаційних хвиль від будь-яких "земних" джерел - потрібні гігантські маси і настільки величезні потужності для приведення їх у рух, що ця задача технічно нездійсненна.
Ситуація стає більш сприятливою, якщо в якості джерел гравітаційних хвиль використовувати космічні об'єкти, в яких необхідні вимоги - колосальні маси і величезні швидкості обертання - забезпечені, так би мовити, самою природою. З них найбільш підходять подвійні зірки, що обертаються навколо загального центру мас, і пульсари - обертові нейтронні зірки. Енергія гравітаційного випромінювання цих джерел величезна. Але і тут, на жаль, немає підстав для надто оптимістичних надій, бо ці джерела знаходяться на величезних відстанях від Землі (десятки світлових років), і до нас приходить незначна частина їх гравітаційного випромінювання.
Наприклад, потужність гравітаційного випромінювання подвійної зірки йота Волопаса, що знаходиться на відстані 40 світлових років від Землі і складається з двох зірок масами 1,35 і 0,68 маси Сонця, згідно з розрахунками, становить 2 · 1023 Вт. Землі ж досягає потік випромінювання щільністю 10-17 Вт / см2, а від всіх подвійних зірок нашої Галактики приходить не набагато більше - 10-14 Вт / см2 гравітаційної енергії. Частота цього випромінювання лежить в діапазоні кількох десятків герц.
Інший приклад - випромінювання знаменитого пульсара PSR 0531 в Крабовидної туманності. Якщо навіть припустити, що він випромінює гравітаційні хвилі потужністю близько тисячі тридцять одна Вт (оцінка, як вважають, явно завищена), то і тоді щільність потоку на Землі через гігантський відстані до джерела (5500 світлових років) склала б усього 3 · 10-14 Вт / см2. Чутливість же гравітаційних детекторів досі обмежується величиною 10-1-10-3 Вт / см2, т. Е. Принаймні на 11 порядків менше, ніж потрібно.
Однак крім періодичного гравітаційного випромінювання від подвійних зірок і пульсарів можуть спостерігатися дуже потужні сплески (імпульси) випромінювання при різних космічних катаклізмів, на кшталт спалахів наднових, що призводять до утворення нейтронних зірок або чорних дір, або при їх зіткненнях один з одним. Потік гравітаційного випромінювання, що виникає при спалаху наднової, приблизно в 1015 разів більше, ніж потік від найближчої подвійної зірки. З'являється реальна можливість зареєструвати таке випромінювання, але складність полягає в тому, що заздалегідь невідомо, коли і звідки прийде сплеск. А в нашій Галактиці наднові спалахують далеко не часто: в середньому один раз за 30 років. Тому слід розраховувати на прийом випромінювання і від інших галактик: сфера радіусом близько 10 мільйонів світлових років містить приблизно 300 галактик, і можна очікувати, що імпульси гравітаційного випромінювання з щільністю потоку 10-3 Вт / см2 будуть приходити кілька разів на рік. Але і ця величина знаходиться на межі чутливості, і детектувати такі сплески гравітаційних хвиль надзвичайно важко.
Перший експеримент такого роду було здійснено Д. Вебером (США) в 1969 році. Його гравітаційний детектор складався з двох рознесених на 1000 кілометрів алюмінієвих циліндрів довжиною по 1,5 м, діаметром 60 см і вагою півтори тонни, підвішених на тонких нитках у вакуумній камері. П'єзоелектричні датчики, приклеєні до циліндрів, перетворювали їх коливання, викликані гравітаційною хвилею, в електричні сигнали. Вони свідчили про реєстрацію хвиль досить великої потужності. Однак результати експериментів Вебера незабаром були поставлені під сумнів, так як приводили до деяких абсурдним висновків, не узгоджується з відомими фактами, наприклад до непомірно великих втрат маси в ядрі Галактики. Згодом ці сумніви перейшли в упевненість: було доведено, що гравітаційне випромінювання потужністю, що відповідає спостереженням Вебера, з космосу не приходить. Після цього було запропоновано досить багато методів виявлення гравітаційних хвиль і схем гравітаційних детекторів: з використанням ротаційних антен - обертових "гантелей" (В. Б. Брагінський і ін.), Супутників, лазерів, надпровідних магнітометрів і лазерних інтерферометрів.
У інтерферометрі складаються дві світлові хвилі, що йдуть різними шляхами. Якщо ці хвилі когерентні (мають незмінну різницю фаз і довжину хвилі), при їх складанні утворюється стійка картина у вигляді системи смуг. Коли довжина шляху, по якому проходить одна з хвиль, змінюється, смуги зміщуються на величину, пропорційну цієї зміни. Тому при реєстрації гравітаційних хвиль інтерферометричної методом одна світлова хвиля відбивається від дзеркал, приклеєних до масивних циліндрах, замість датчиків, використаних Вебером. Вібрація циліндрів під впливом хвилі викликає коливання інтерференційної картини, а сучасні електронні методи дозволяють виявити зміщення в соті частки мікрона. Але до сих пір виявити гравітаційні хвилі ще нікому не вдалося.
До 1992 року в США був підготовлений грандіозний проект по створенню обсерваторії для пошуку гравітаційних хвиль з використанням лазерних інтерферометрів - ЛИГО (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) загальною вартістю понад двісті мільйонів доларів. У його здійсненні взяли участь вчені та інженери двох найбільших наукових центрів США - Каліфорнійського і Массачусетського технологічних інститутів, фахівці з промисловості, з Колорадського, Стенфордського і Сиракузского університетів. Технологія для ЛИГО розроблялася двадцять років. За цей час було побудовано і досліджено кілька варіантів лазерних інтерферометрів, виготовлено унікальне завадозахисні обладнання і відпрацьований остаточний варіант всієї системи, на якій планується проводити великі дослідницькі програми.
Проект ЛИГО ставить собі за мету експериментально вивчити проблему нелінійної гравітації, чорних дір і Гравітон, вивівши її зі сфери теоретичних побудов, і підтвердити, що пульсації кривизни простору-часу - гравітаційні хвилі - існують. ЛИГО може дозволити дослідникам зробити висновок про величину спина (власного моменту кількості руху) Гравітон. За різницею в часі прибуття електромагнітних і гравітаційно-хвильових сплесків від одного віддаленого події гравітаційна обсерваторія дозволить визначити, чи однакові швидкості цих хвиль. Якщо вони приходять одночасно, гравітон, як і передбачає теорія, має нульову масу спокою.
Особливість проекту ЛИГО - можливість використання декількох интерферометров і створення таких оптичних схем, в яких одна і та ж пробна маса служить загальною для двох або декількох интерферометров.
Сигнали від подвійних або нейтронних зірок можуть приходити в частотному діапазоні, що тягнеться від дуже низьких частот до приблизно 1 кГц. Створена апаратура може сприймати частоти від 40 Гц до декількох кілогерц з максимумом чутливості на частоті 100 Гц. Дослідники очікують, що їх унікальна установка, яка постає перед нове покоління гравітаційних телескопів, дозволить отримати фундаментальні результати, які наближають нас до розгадки багатьох таємниць Всесвіту.
