Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

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 ее 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 приема гравитационных антенн (100–1000 Гц) ожидается на уровне h ~ 10 –24при очень узкой полосе приема ∆ f = 3 · 10 –8Гц.

Гравитационно-волновой фон ранней Вселенной мог бы также сформироваться во время, так называемой, нестационарной доменной стадии. Предполагается, что в эту эпоху Вселенная представляет собой некие «соты», то есть состоит из отдельных областей, каждая из которых описывается разными значениями одного и того же параметра – направления анизотропного натяжения. Этот параметр связан с одним из фундаментальных свойств Вселенной – барионной асимметрией, то есть чрезвычайным преобладанием вещества над антивеществом.

Одно из свойств доменной модели состоит в том, что давление в доменах разное и разнонаправленное. Неопределенность направления анизотропного давления, нестабильность и, наконец, распад доменной стадии приводят к образованию стохастического (случайного) гравитационно-волнового фона. По разным оценкам характеристики этого излучения на настоящий момент могут быть следующими: усредненная частота – примерно 10 –4Гц, а усредненная безразмерная амплитуда – примерно 10 –20.

Возможности детектирования гравитационных волн, в том числе и реликтового гравитационного фона, обсуждаются далее.

Из сказанного выше об астрофизических источниках можно сделать вывод, что безразмерные амплитуды гравитационных волн, которые мы имеем шанс зарегистрировать на Земле (или в окрестности Земли), h ~ 10 –21. Может быть «случайно» амплитуда окажется и больше, но ориентироваться нужно, скорее, на еще меньшую. Напомним, что h – это та характеристика, которая определяет изменение в измерении физической (реальной) длины: ∆ l / l ≈ h /2. Так вот, если такая гравитационная волна пройдет, то метровый стержень изменит свою длину всего на ∆ l ≈ 10 –19см. Для сравнения – порядок размера атомов 10 –8см.

Принцип обнаружения гравитационных волн основан на физическом воздействии на пробные тела. Есть два вида детекторов: твердотельные антенны и лазерные интерферометры. При прохождении гравитационной волны рабочий элемент детекторов первого типа должен деформироваться, а в детекторах второго типа должно изменяться взаимное положения свободных масс (зеркал).

Твердотельные детекторы стали создаваться с середины 1960-х годов. Пионером этих разработок по праву можно считать американского физика Джозефа Вебера (1919–2000). Вебер прожил яркую неординарную жизнь. В 1940 году закончил Военно-морскую академию США, активно участвовал во второй мировой войне на различных кораблях. На службе изучал радиоэлектронику, в 1948 году ушел в отставку и стал профессором по инженерии в Мэрилендском университете в Колледж-Парке. Но приняли его на условии, что он быстро защитит диссертацию. Так и случилось, в 1951 году Вебер защитил диссертацию «Микроволновые методы в химической кинетике». Во время этой работы была выдвинута идея о возможности получения когерентного стимулированного микроволнового излучения (мазера). Позднее эти идеи разрабатывались Николаем Басовым (1922–2001) и Александром Прохоровым (1916–2002) и американским физиком Чарльзом Таунсом. Они построили первые действующие модели мазеров и лазеров и получили Нобелевскую премию по физике 1964 года.

В 1950-х Вебер заинтересовался ОТО. В то время под сомнением было само существование гравитационных волн, которое, в основном, развеялось к 1960-м годам. Вебер построил первый тип гравитационных детекторов – резонансные антенны. Это аллюминиевые цилиндры массой около тонны; они могут колебаться, в основном, в продольном направлении, при этом деформации максимальны на торцах. Уже с конца 1960-х годов Вебер начал публиковать статьи, в которых утверждал, что обнаружил гравитационные волны. Это вызвало сенсацию, научные группы по всему миру начали строить аналогичные детекторы. Но никто не смог подтвердить эти результаты.