Александр Петров - Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Постоянное уменьшение энергии двойной системы за счёт гравитационного излучения приводит к уменьшению орбитального периода. Если компонентом двойной системы является пульсар — вращающаяся нейтронная звезда, испускающая мощные, строго периодические радиоимпульсы, то по доплеровскому смещению частоты прихода импульсов можно точно отследить изменения орбитального периода.

Этот эффект уменьшения орбитального периода был обнаружен при многолетних наблюдениях пульсара PSR1913+16, входящего в состав двойной системы, вторым компонентом которой является другая нейтронная звезда, не наблюдаемая как пульсар. В двойной системе из двух нейтронных звёзд нет иных физических механизмов уменьшения орбитальной энергии, кроме как за счёт излучения гравитационных волн. Причём темп уменьшения периода оказывается с точностью лучше 0.5% равным значению, получаемому из квадрупольной формулы. За открытие и исследование этого пульсара американские астрофизики Джозеф Тэйлор и Рассел Халс получили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. Таким образом, в настоящее время астрономические наблюдения косвенно доказывают реальность гравитационного излучения двойными звёздами, подтверждая выводы ОТО с высокой точностью. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSRJ0737–3039, PSRJ0437- 4715 и системы двойных белых карликов RXJ0806. Например, расстояние между компонентами двойного пульсара PSRJ0737–3039 уменьшается примерно на 6,35 см в день.

Слияние двух звёзд. Сильная зависимость темпа уменьшения орбитального периода от самого значения периода приводит к тому, что сжатие орбиты двойной звезды происходит все быстрее и быстрее. В результате, за приемлемое для наблюдений время две звезды должны сблизиться и слиться в одну. Для двух компактных нейтронных звёзд или чёрных дыр это время меньше жизни Вселенной. Например, для двойного пульсара PSR1913+16 оно составляет всего около 100 млн лет. Хотя весь процесс довольно продолжительный, на заключительном этапе он длится доли секунды. В процессе слияния двух компактных тел полуось орбиты становится порядка радиуса звезды, то есть в несколько гравитационных радиусов. Происходит несимметричный коллапс, и за это короткое время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50% от массы системы, амплитуда генерируемой волны близка к максимально возможной, h max~ r g /r. Поэтому сливающиеся двойные нейтронные звезды и чёрные дыры являются самыми перспективными (в смысле мощности) источниками для наблюдения, Необходимо оценить насколько часто подобные катастрофические события происходят в нашей Галактике. Из наблюдений достоверно известно о существовании нескольких тесных пар нейтронных звёзд, а оценки темпа слияния дают одно событие в миллион лет. Из теории звёздной эволюции следует, однако, что темп слияния таких двойных систем в Галактике (в среднем, и в других галактиках также) может быть на полтора–два порядка выше — примерно раз в 10–30 тыс. лет.

В таблице приведены характерная частота гравитационного излучения и частота событий для некоторых возможных источников.

Амплитуда сигналов от некоторых из этих источников в сравнении с проектной и имеющейся чувствительностью антенн обсуждается ниже.

Грвитационно–волновой фон ранней Вселенной. До сих пор мы рассматривали локализованные источники, которые могут произвести излучение достаточной силы, чтобы быть зарегистрированными гравитационно–волновыми детекторами Но, конечно, ясно, что любые массы, достаточно несимметричные, при вращениях излучают гравитационные волны, все произвольные гравитационно связанные системы тел при относительном движении излучают и т. д. То есть вся Вселенная погружена в океан гравитационных волн, состоящий из волн посильнее или послабее. Все это вместе образует гравитационноволновой фон Вселенной.

Но среди всего этого океана более интересна та его часть, которая была сгенерирована в раннюю эпоху эволюции Вселенной Почему? Мы уже говорили о реликтовом нейтринном излучении, которое должно быть, но пока не зарегистрировано; о реликтовом электромагнитном излучении, которое образовалось (стало свободным) после рекомбинации водорода и, являясь очень важным носителем информации о той эпохе, активно исследуется со времени его открытия. Аналогично должно существовать реликтовое гравитационное излучение. Его формирование относится ко времени значительно более раннему, чем формирование нейтринного и, тем более, электромагнитного реликтового фона, а именно, 10 –37–10 –35с, или ранее. Это соответствует энергиям 10 16ГэВ, может даже большим. В эту эпоху ещё невозможно различить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, а гравитационное уже становится независимым.

В отличие от электромагнитных, реликтовые гравитационные волны чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Это очень важно для космологии, поскольку означает, что они несут «чистую» (без искажений) информацию о самых ранних стадиях развития Вселенной. С другой стороны, до сих пор не зарегистрированы гравитационно–волновые сигналы от локальных источников, которые считаются перспективными. Трудностей в регистрации реликтового гравитационного излучения не меньше, однако надежды на успех есть. Тогда изучение таких гравитационных волн станет мощным инструментом для исследований физики элементарных частиц и всей физики вообще вплоть до энергий 10 16ГэВ.

Важную информацию должен нести спектр ранних гравитационных волн. Из‑за расширения Вселенной и частота гравитационной волны, и её амплитуда меняются. Частота всегда уменьшается. А амплитуда может как расти, так и уменьшаться. Однако есть момент, начиная с которого амплитуда волны только уменьшается. Это момент, когда длина волны и размеры горизонта частиц Вселенной сравниваются. Таким образом, есть конкретная связь между частотой волны и температурой эпохи. Современные детекторы, работающие на частотах около 1 кГц, могли бы изучать состояние Вселенной при температурах 10 11ГэВ. В параметрах гравитационных волн этой частоты должна быть «закодирована» информация о характеристиках плазмы эпохи этой температуры.

Существуют разные возможности для формирования гравитационных волн в ранней Вселенной. Одна из них — это так называемое сверхадиабатическое усиление гравитационных волн. Этот механизм был предложен в 1974 году известным космологом Леонидом Грищуком (1941–2012). Он приводит к усилению реально существующих волн или даже рождению гравитонов (гипотетических квантовых частиц, соответствующих гравитационному полю) из вакуума. Идея состоит в параметрическом возбуждении колебаний гравитационного поля, связанного со специальным соотношением параметров расширяющейся Вселенной. В некотором смысле, можно сказать, что механизм работает, когда параметры Вселенной входят в «резонанс» с колебаниями поля. Значительный гравитационно–волновой фон мог сформироваться во время стадии инфляции. Безразмерная амплитуда каждой волны в момент равенства длины волны размерам горизонта приблизительно равна 10 –5, Со временем эти волны могут усиливаться на других этапах эволюции Вселенной. В теории существуют различные сценарии развития этого фона. В современную эпоху он должен иметь широкий спектр: от 1 ГГц до 10 17Гц. В оптимистическом варианте среднее значение метрических вариаций в диапазоне приёма гравитационных антенн (100–1000 Гц) ожидается на уровне h ~ 10 -24при очень узкой полосе приёма ∆ f = 3·10 -8Гц.