В списке наиболее важных и интересных проблем современной физикии астрофизики, составленном академиком В. Л. Гинзбургом (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь "№№ 11, 12, 1999 г.), под номером 22 фигурирует технически сложная задача- прием гравитационных волн, приходящих из космоса. Построенная для этойцели установка ЛИГО положила начало новому научному направлению - гравитационно-волновойастрономии.



Идея существования гравитационных волн восходит к работам Эйнштейна,точнее, к созданной им к 1916 году общей теории относительности (ОТО) -теории пространства и времени, объединившей эти два понятия. Общая теорияотносительности, по существу, - это теория гравитации, устанавливающаясвязь тяготения с геометрией пространства - времени. Геометрические свойствачетырехмерного пространства -времени, как и обычного трехмерного пространства,целиком определяются находящейся в пространстве материей, которая создаетгравитационное поле. Влияние гравитации на геометрию проявляется в том,что она искривляет пространство -время. Мы не можем представить себе этонаглядно (как в случае двухмерного "простран ства", скажем, листа бумаги,который легко представить себе и плоским и изогнутым), но можем описатьматематически.Эйнштейн показал, что в поле тяготения пространство - время обладаеткривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация,управляющая Солнечной системой. Но в мощных гравитационных полях, создаваемыхмассивными космическими объектами, пространство -время искривлено оченьсильно. А если такой объект совершает колебательное или вращательное движение,кривизна меняется. Распространение этих изменений (возмущений) в пространстверождает "волны кривизны", которые и получили название гравитационных волн(см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 11, 1969 г.; № 1, 1972 г.; № 8, 1989 г.). И подобнотому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляетсобой поток фотонов, кванование волны гравитационной приводит к понятиюгравитона - частицы с нулевой массой покоя.Излучение колеблющимися массами гравитационных волн очень напоминаетизлучение электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами.Согласно ОТО, гравитационные волны имеют такую же скорость, как электромагнитныеволны, и тоже переносят энергию. Они вызывают движение (смещение) тел,встречающихся на их пути, но ожидаемый эффект настолько мал, что до сихпор не обнаружен. Еще в 1916 году Эйнштейн вычислил мощность гравитационногоизлучения вращающегося стержня длиной 1 метр. Если даже раскрутить егодо такой скорости, что цетробежная сила достигнет предела прочности материалана разрыв, мощность излучения окажется равной всего-навсего 10-37Вт, что зарегистрировать невозможно.Это делает совершенно нереальным обнаружение гравитационных волн откаких-либо "земных" источников - нужны гигантские массы и столь огромныемощности для приведения их в движение, что эта задача технически невыполнима.Ситуация становится более благоприятной, если в качестве источниковгравитационных волн использовать космические объекты, в которых необходимыетребования - колоссаль ные массы и огромные скорости вращения - обеспечены,так сказать, самой природой. Из них наиболее подходят двойные звезды, вращающиесявокруг общего центра масс, и пульсары - вращающиеся нейтронные звезды.Энергия гравитационного излучения этих источников огромна. Но и здесь,к сожалению, нет оснований для слишком оптимистичес ких надежд, ибо этиисточники находятся на громадных расстояниях от Земли (десятки световыхлет), и к нам приходит ничтожная часть их гравитационного излучения.Например, мощность гравитационного излучения двойной звезды йота Волопаса,находящейся на расстоянии 40 световых лет от Земли и состоящей из двухзвезд массами 1,35 и 0,68 массы Солнца, согласно расчетам, составляет 2 . 1023Вт.Земли же достигает поток излучения плотностью 10-17 Вт/см2,а от всех двойных звезд нашей Галактики приходит не намного больше - 10-14Вт/см2 гравитационной энергии. Частота этого излучения лежитв диапазоне нескольких десятков герц.Другой пример - излучение знаменитого пульсара PSR 0531 в Крабовиднойтуманности. Если даже предположить, что он излучает гравитационные волнымощностью порядка 1031 Вт (оценка, как полагают, явно завышенная),то и тогда плотность потока на Земле из-за гигантского расстояния до источника(5500 световых лет) составила бы всего 3 . 10-14Вт/см Чувствительность же гравитационных детекторов до сихпор ограничивается величиной 10-1-10-3 Вт/см2,т. е. по крайней мере на 11 порядков меньше, чем нужно.Однако кроме периодического гравитационного излучения от двойных звезди пульсаров могут наблюдаться очень мощные всплески (импульсы) излученияпри различных космических катаклизмах, вроде вспышек сверхновых, приводящихк образованию нейтронных звезд или черных дыр, или при их столкновенияхдруг с другом. Поток гравитационного излучения, возникающего при вспышкесверхновой, примерно в 1015 раз больше, чем поток от ближайшейдвойной звезды. Появляется реальная возможность зарегистрировать такоеизлучение, но трудность состоит в том, что заранее неизвестно, когда иоткуда придет всплеск. А в нашей Галактике сверхновые вспыхивают далеконе часто: в среднем один раз за 30 лет. Поэтому следует рассчитывать наприем излучения и от других галактик: сфера радиусом около 10 миллионовсветовых лет содержит примерно 300 галактик, и можно
ожидать, что импульсы гравитационного излучения с плотностью потока10-3 Вт/см2 будут приходить несколько раз в год.Но и эта величина находится на пределе чувствительности, и детектироватьтакие всплески гравитационных волн чрезвычайно трудно.Первый эксперимент такого рода был осуществлен Д. Вебером (США) в 1969году. Его гравитационный детектор состоял из двух разнесенных на 1000 километровалюминиевых цилиндров длиной по 1,5 м, диаметром 60 см и весом полторытонны, подвешенных на тонких нитях в вакуумной камере. Пьезоэлектрическиедатчики, приклеенные к цилиндрам, преобразовывали их колебания, вызванныегравитационной волной, в электрические сигналы. Они свидетельствовали орегистрации волн довольно большой мощности. Однако результаты экспериментовВебера вскоре были поставлены под сомнение, так как приводили к некоторымабсурдным заключениям, не согласующимся с известными фактами, напримерк непомерно большим потерям массы в ядре Галактики. Впоследствии эти сомненияперешли в уверенность: было доказано, что гравитационное излучение мощностью,отвечающей наблюдениям Вебера, из космоса не приходит. После этого былопредложено довольно много методов обнаружения гравитационных волн и схемгравитационных детекторов: с использованием ротационных антенн - вращающихся"гантелей" (В. Б. Брагинский и др.), спутников, лазеров, сверхпроводящихмагнитометров и лазерных интерферометров.В интерферометре складываются две световые волны, идущие по разным путям.Если эти волны когерентны (имеют неизменную разность фаз и длину волны),при их сложении образуется устойчивая картина в виде системы полос. Когдадлина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаютсяна величину, пропорциональную этому изменению. Поэтому при регистрациигравитационных волн интерферометрическим методом одна световая волна отражаетсяот зеркал, приклеенных к массивным цилиндрам, вместо датчиков, использованныхВебером. Вибрация цилиндров под воздействием волны вызывает колебания интерференционнойкартины, а современные электронные методы позволяют обнаружить смещенияв сотые доли микрона. Но до сих пор обнаружить гравитационные волны ещеникому не удалось.К 1992 году в США был подготовлен грандиозный проект по созданию обсерваториидля поиска гравитационных волн с использованием лазерных интерферометров- ЛИГО (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) общейстоимостью более двухсот миллионов долларов. В его осуществлении принялиучастие ученые и инженеры двух крупнейших научных центров США - Калифорнийскогои Массачусетского технологических институтов, специалисты из промышленности,из Колорадского, Стэнфордского и Сиракузского университетов. Технологиядля ЛИГО разрабатывалась двадцать лет. За это время было построено и исследованонесколько вариантов лазерных интерферометров, изготовлено уникальное помехозащитноеоборудование и отработан окончательный вариант всей системы, на которойпланируется проводить обширные исследовательские программы.Проект ЛИГО ставит своей целью экспериментально изучить проблему нелинейнойгравитации, черных дыр и гравитонов, выведя ее из сферы теоретических построений,и подтвердить, что пульсации кривизны пространства-времени - гравитационныеволны - существуют. ЛИГО может позволить исследователям сделать заключениео величине спина (собственного момента количества движения) гравитона.По разнице во времени прибытия электромагнитных и гравитационно-волновыхвсплесков от одного удаленного события гравитационная обсерватория позволитопределить, одинаковы ли скорости этих волн. Если они приходят одновременно,гравитон, как и предсказывает теория, имеет нулевую массу покоя.Особенность проекта ЛИГО - возможность использования нескольких интерферометрови создания таких оптических схем, в которых одна и та же пробная массаслужит общей для двух или нескольких интерферометров.Сигналы от двойных или нейтронных звезд могут приходить в частотномдиапазоне, простирающемся от очень низких частот до примерно 1 кГц. Созданнаяаппаратура может воспринимать частоты от 40 Гц до нескольких килогерц смаксимумом чувствительности на частоте 100 Гц. Исследователи ожидают, чтоих уникальная установка, открывающая новое поколение гравитационных телескопов,позволит получить фундаментальные результаты, приближающие нас к разгадкемногих тайн Вселенной. Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

Подробности для любознательных КАК ЛОВЯТ ГРАВИТОНЫ