На волнах гравитации

Гравитационные волны — это колебания ткани нашего четырехмерного континуума (так называемая «рябь пространства-времени»), которые создаются массивными объектами, движущимися с переменным ускорением. Существование таких волн ещё сто лет назад было предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности, однако до сего года все попытки обнаружить их любыми, сколь угодно чувствительными приборами оставались безрезультатными.

Об открытии заявили члены коллаборации LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory), объединяющей более тысячи учёных из 15 стран мира. В коллаборации LIGO используются наземные гравитационные телескопы — гигантские Г-образные антенны с длиной плеча по четыре километра.
Внутри них в условиях высокого вакуума распространяются лазерные лучи, которые отражаются от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. Поскольку гравитационная волна периодически растягивала и сжимала плечи телескопа, лучи, шедшие по разным оптическим путям, фиксировались на выходе с небольшими задержками.
Из этих данных учёные и сделали вывод об отклонении на уровне 1019 метра — сигнале, свидетельствующем о прохождении гравитационной волны.
Было установлено, что эту гравитационную волну породило столкновение двух чёрных дыр общей массой около 60 солнечных, которое произошло очень далеко от нашей Солнечной системы — на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет (напомним, световой год — расстояние, которое свет, имеющий скорость 300000 километров в секунду, преодолевает за год; это значит, что до нас только сейчас дошёл отголосок события, произошедшего ещё до того, как на Земле первая протобактерия выбралась на берег первобытного океана).

Любого читателя «Тайн XX века», даже далёкого от мира астрофизики, сообщение об открытии гравитационных волн не могло не взволновать ощущением каких-то новых возможностей, прорыва в мир неизвестных ранее технологий. Может быть, гравитационные волны, наконец, раздвинут для нас пределы наблюдаемого космоса? Возможно, и до ближайшей к нам звёздной системы с планетами — Альфа Центавра — теперь можно будет добраться не за сотню лет, а за считанные минуты? С помощью новейшего гравитационного двигателя, какой-нибудь «гравицаппы», как в фильме «Кин-дза-дза»?
Давайте попробуем разобраться, что это за волны такие, откуда они берутся и какая нам от них может быть польза.

Главное — ускорение

Каждое материальное тело обладает собственным гравитационным полем (полем тяготения). Чем больше масса тела, тем сильнее поле его тяготения. Однако не каждое материальное тело может испускать гравитационные волны. Для появления гравитационных волн, то есть неоднородностей в поле тяготения, необходимо, чтобы тело двигалось. Двигалось с ускорением. Но и этого недостаточно — не всякое ускорение ведёт к появлению гравитационных волн.
Если мы возьмём цилиндр и раскрутим его вокруг главной оси симметрии, он будет испытывать угловое ускорение, но его гравитационное поле останется однородным и волны не возникнут. Однако если мы попробуем раскрутить цилиндр вокруг любой другой оси, в его поле тяготения возникнут неоднородности и от него «побегут» гравитационные волны. То же самое произойдёт, если мы возьмём два цилиндра и раскрутим их не вокруг своей оси, а вокруг общего центра тяжести.
На самом деле гравитационные волны могут создавать любые два материальных тела, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Но зафиксировать такие волны с помощью существующих нынче приборов можно только в том случае, если эти объекты очень массивные. Такие, например, как нейтронные звёзды или чёрные дыры.

Слабые, но вездесущие

На нашей планете нет объектов, гравитационные волны от которых могли бы быть зафиксированы земными же приборами. Даже если бы нам удалось заставить пару тысячетонных каменных «шариков» вращаться вокруг какой-нибудь внешней оси, то мощность рожденной гравитационной волны была бы в миллиард раз слабее, чем свет лампочки карманного фонарика, видимый на расстоянии в тысячу километров.

Поэтому единственной надеждой обнаружить волны тяготения на протяжении 100 прошедших после Эйнштейна лет было нацелить детекторы на дальний космос.
При этом совершенно не важно, на каком расстоянии произошло событие, породившее гравитационную волну, и какие препятствия ей пришлось преодолеть на пути к земным наблюдателям.
Гравитационные волны в космическом пространстве распространяются со скоростью света. Как и электромагнитные волны, гравитационные являются поперечными (поперечная волна — волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц).
Но, в отличие от световых волн, гравитационные волны не испытывают преломления при встрече с космическими объектами — звёздами, планетами, газопылевыми облаками и т.п.
Отклонить их с пути, уменьшить их скорость способно лишь сверхплотное сверхтяжёлое вещество отдельных чёрных дыр. Поэтому все пространство буквально пронизано гравитационными волнами, в том числе реликтового происхождения — волнами, появившимися в момент зарождения Вселенной.

И какая нам от этого польза?

К сожалению, в практическом плане вообще и в плане дальних космических путешествий в частности пользы пока никакой. Что же касается развития науки, расширения наших знаний о Вселенной — польза огромная и неоценимая.
Во-первых, мы получили ещё одно экспериментальное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Что это значит для любого современного физика-теоретика, можете догадаться сами.
Во-вторых, если удастся поставить «ловлю» гравитационных волн на постоянную основу и научиться выделять среди них реликтовые волны, мы сможем, наконец, узнать, что и как происходило в момент зарождения Вселенной (в частности, а был ли Большой взрыв?).
В-третьих, на радость астрофизикам, доказано существование чёрных дыр звёздного происхождения — то есть таких, которые образовались в результате гравитационного коллапса звёзд, израсходовавших всё своё термоядерное «топливо».
В-четвёртых, учёные LIGO измерили длину волны гравитона — кванта гравитационного поля — и даже ухитрились определить его массу, которая до последнего времени считалась равной нулю. В-пятых и в-шестых… Но далее уже идут такие дебри теоретической физики, о которых мы не рискнём даже упоминать.

В общем, хотя до изобретения «гравицаппы» и свободного перемещения по безграничному космическому пространству нам всё ещё очень далеко, обнаружение гравитационных волн для современной физики значит не меньше, чем открытие Америки для человечества.
И что особенно важно, это открытие было сделано при непосредственном участии наших российских учёных.
В экспериментах активно участвовали научные группы под руководством члена-корреспондента РАН Владимира Брагинского (физический факультет МГУ) и члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).
Один из основателей проекта LIGO Кип Торн в интервью телеканалу RT особо отметил:
— Важный вклад в исследовательский процесс внесли учёные из группы Владимира Брагинского. Я лично сотрудничал с Брагинским и его командой с начала 1970-х годов, и его группа предложила основную концепцию использования гигантских зеркал для проведения эксперимента… Его разработки были абсолютно незаменимы. Они являются важной частью нашего открытия.