Космические рубежи теории относительности

Кауфман Уильям

15

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ И ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЛИНЗЫ

Общая теория относительности - это, несомненно, наилучший из известных сегодня в физике способов описания тяготения. Согласно этой теории, гравитационное поле любого объекта проявляется в искривлении пространства-времени. Поскольку все виды материи порождают гравитацию, то любое материальное тело в той или иной мере влияет на геометрию пространства-времени. И чем сильнее гравитационное поле этого тела, тем большим искривлением характеризуется геометрия.

Представим себе какие-либо тела, движущиеся в пространстве. Поскольку каждое из них имеет массу, то вместе с телом перемещается и

порожденное им небольшое искривление пространства-времени. Таким образом, когда тела движутся, геометрия пространства-времени меняется. Всякий раз, когда изменяется положение тел, геометрия должна «приспосабливаться» к новой ситуации. Этот процесс приспособления проявляется в виде «ряби» на общем фоне геометрии пространства-времени. Такая рябь разбегается во все стороны от источников тяготения со скоростью света, и её называют гравитационными волнами.

Гравитационные волны возникают почти при всяком перемещении материи. Всё вызывает излучение гравитационных волн - и скачущий мячик, и машущий руками человек, и Луна, обращающаяся вокруг Земли. Как правило, тела, создающие сильные гравитационные поля, способны испускать более мощные гравитационные волны, чем тела со слабыми гравитационными полями. Гипотетическая двойная система, состоящая из двух чёрных дыр, даёт при взаимном обращении компонентов намного более сильное гравитационное излучение, чем Юпитер при своем движении вокруг Солнца в Солнечной системе. В табл. 15.1, основанной на расчётах Брагинского, Руффини и Уилера, приведена мощность излучения двойных систем разных типов. Для сравнения вспомним, что мощность, излучаемая Солнцем в форме света, составляет 400000 квадриллионов (10¹⁵) мегаватт.

Таблица 15.1

АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ

ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

Тип двойной

системы

Название

системы

Период

обращения

Мощность, испускаемая в

форме гравитационных волн

Солнце и Юпитер

Солнечная система

11,9

года

5,2

кВт

Двойная звезда

Кассиопеи

480

лет

5,6

кВт

" _ "

Волопаса

150

лет

360

кВт

" _ "

Сириус

50

лет

110

МВт

" _ "

Лиры

13

сут

6 • 10

¹⁵

МВт

" _ "

UV Льва

14

ч

63 • 10

¹⁵

МВт

Из табл. 15.1 видно, что короткопериодические двойные, как правило, излучают более мощные гравитационные волны, чем двойные с большим периодом обращения. В короткопериодических двойных системах звёзды находятся очень близко друг к другу и гравитационно сильнее взаимодействуют между собой.

Самые мощные гравитационные волны должны испускаться обращающимися вокруг друг друга нейтронными звёздами или чёрными дырами. В табл. 15.2 приводятся мощности излучения пар этих мёртвых звёзд. В неё вошли результаты расчётов Руффини и Уилера для очень тесных пар нейтронных звёзд или чёрных дыр с массами, равными солнечной.

Таблица 15.2

ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

Расстояние между двумя

сколлапсировавшими

звёздами, км

Период

обращения, с

Мощность, испускаемая

в форме гравитационных

волн, МВт

10 000

12

30 • 10

²⁷

1 000

1/3

3 • 10

³³

100

10

^{– 2}

3 • 10

⁴⁸

Хотя некоторые двойные системы, перечисленные в табл. 15.1 и 15.2, теряют значительное количество энергии в форме гравитационных волн, на Землю приходит её совершенно ничтожная часть. Ведь чем дальше источник излучения, тем слабее он ощущается. В физике наблюдаемая «яркость» источника излучения выражается мощностью (в ваттах), приходящейся на квадратный метр (или квадратный километр) поверхности Земли. Если взять один из самых мощных источников гравитационного излучения - двойную звезду UV Льва, находящуюся от нас на расстоянии 220 световых лет, то поток энергии около Земли от этого источника получается равным всего половине одной миллиардной ватта на квадратный километр. А ведь это очень мало!

Если предположить, что двойные системы, состоящие из чёрных дыр, реально существуют, то поток энергии от них у нас на Земле должен быть существенно больше. Если, например, такая система состоит из двух чёрных дыр с массами, равными одной солнечной, находящихся друг от друга на расстоянии 100 км (период обращения 1/100 с), а расстояние от этой системы до нас равно 3260 световым годам, то поток энергии на Земле составит около 3 Вт/см². Сравните это с величиной 1/6 Вт/см²– энергией, приходящей на Землю от Солнца. Однако большинство астрономов категорически отрицают возможность существования тесных пар чёрных дыр.

Теоретически возможность существования гравитационных волн была предсказана много лет назад. Однако экспериментальное их обнаружение в лабораторных экспериментах оказалось невероятно трудной задачей. По сравнению с другими видами излучения гравитационные волны исключительно слабы. Так, электромагнитное излучение (скажем, радиоволны) испускается при колебаниях электрических зарядов в триллион триллионов (10³⁶) раз сильнее, чем при тех же самых колебаниях тех же зарядов испускаются гравитационные волны. Дело здесь прежде всего в том, что электромагнитные силы несравненно мощнее гравитационных. Поэтому электромагнитное излучение легко регистрировать с помощью множества устройств, включая человеческий глаз, фотопленку или радиоприемник. Изобретение же прибора, который реагировал бы на гравитационное излучение, оказалось для физиков-экспериментаторов задачей огромной трудности.