Установка ЛИГО, постороенная для приема гравитационных волн, приходящих из космоса, положила начало гравитационно-волновой астрономии.

Схема интерферометра Майкельсона.

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 теория относительности, по существу, - это теория гравитации, устанавливающая связь тяготения с геометрией пространства - времени. Геометрические свойства четырехмерного пространства-времени, как и обычного трехмерного пространства, целиком определяются находящейся в пространстве материей, которая создает гравитационное поле. Влияние гравитации на геометрию проявляется в том, что она искривляет пространство-время. Мы не можем представить себе это наглядно (как в случае двухмерного "пространства", скажем, листа бумаги, который легко представить себе и плоским и изогнутым), но можем описать математически.

Эйнштейн показал, что в поле тяготения пространство - время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, управляющая Солнечной системой. Но в мощных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, пространство-время искривлено очень сильно. А если такой объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна меняется. Распространение этих изменений (возмущений) в пространстве рождает "волны кривизны", которые и получили название гравитационных волн (см. "Наука и жизнь" №11, 1969 г.; № 1, 1972 г.; № 8, 1989 г.). И подобно тому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование волны гравитационной приводит к понятию гравитона - частицы с нулевой массой покоя.

Излучение колеблющимися массами гравитационных волн очень напоминает излучение электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами. Согласно ОТО, гравитационные волны имеют такую же скорость, как электромагнитные волны, и тоже переносят энергию. Они вызывают движение (смещение) тел, встречающихся на их пути, но ожидаемый эффект настолько мал, что до сих пор не обнаружен. Еще в 1916 году Эйнштейн вычислил мощность гравитационного излучения вращающегося стержня длиной 1 метр. Если даже раскрутить его до такой скорости, что центробежная сила достигнет предела прочности материала на разрыв, мощность излучения окажется равной всего-навсего 10^-37 Вт, что зарегистрировать невозможно.

Это делает совершенно нереальным обнаружение гравитационных волн от каких-либо "земных" источников - нужны гигантские массы и столь огромные мощности для приведения их в движение, что эта задача технически невыполнима.

Ситуация становится более благоприятной, если в качестве источников гравитационных волн использовать космические объекты, в которых необходимые требования - колоссальные массы и огромные скорости вращения - обеспечены, так сказать, самой природой. Из них наиболее подходят двойные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс, и пульсары - вращающиеся нейтронные звезды. Энергия гравитационного излучения этих источников огромна. Но и здесь, к сожалению, нет оснований для слишком оптимистических надежд, ибо эти источники находятся на громадных расстояниях от Земли (десятки световых лет), 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 двух звезд массами 1,35 и 0,68 массы Солнца, согласно расчетам, составляет 2·10²³ Вт. Земли же достигает поток излучения плотностью 10^-17 Вт/см², а от всех двойных звезд нашей Галактики приходит не намного больше - 10^-14 Вт/см² гравитационной энергии. Частота этого излучения лежит в диапазоне нескольких десятков герц.

Другой пример - излучение знаменитого пульсара PSR 0531 в Крабовидной туманности. Если даже предположить, что он излучает гравитационные волны мощностью 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^-14 Вт/см². Чувствительность же гравитационных детекторов до сих пор 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 звезд и пульсаров могут наблюдаться очень мощные всплески (импульсы) излучения при различных космических катаклизмах, вроде вспышек сверхновых, приводящих к образованию нейтронных звезд или черных дыр, или при их столкновениях друг с другом. Поток гравитационного излучения, возникающего при вспышке сверхновой, примерно в 10¹⁵ раз больше, чем поток от ближайшей двойной звезды. Появляется реальная возможность зарегистрировать такое излучение, но трудность состоит в том, что заранее неизвестно, когда и откуда придет всплеск. А в нашей Галактике сверхновые вспыхивают далеко не часто: в среднем один раз за 30 лет. Поэтому следует рассчитывать на прием излучения и от других галактик: сфера радиусом около 10 миллионов световых лет содержит примерно 300 галактик, и можно ожидать, что импульсы гравитационного излучения с плотностью потока ­ 10^-3 Вт/см² будут приходить несколько раз в год. Но и эта величина находится на пределе чувствительности, и детектировать такие всплески гравитационных волн чрезвычайно трудно.

Первый эксперимент такого рода был осуществлен Д. Вебером (США) в 1969 году. Его гравитационный детектор состоял из двух разнесенных на 1000 километров алюминиевых цилиндров длиной по 1,5 м, диаметром 60 см и весом полторы тонны, подвешенных на тонких нитях в вакуумной камере. Пьезоэлектрические датчики, приклеенные к цилиндрам, преобразовывали их колебания, вызванные гравитационной волной, в электрические сигналы. Они свидетельствовали о регистрации волн довольно большой мощности. Однако результаты экспериментов Вебера вскоре были поставлены под сомнение, так как приводили к некоторым абсурдным заключениям, не согласующимся с известными фактами, например к непомерно большим потерям массы в ядре Галактики. Впоследствии эти сомнения перешли в уверенность: было доказано, что гравитационное излучение мощностью, отвечающей наблюдениям Вебера, из космоса не приходит. После этого было предложено довольно много методов обнаружения гравитационных волн и схем гравитационных детекторов: с использованием ротационных антенн - вращающихся "гантелей" (В. Б. Брагинский и др.), спутников, лазеров, сверхпроводящих магнитометров 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. Когда длина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаются на величину, пропорциональную этому изменению. Поэтому при регистрации гравитационных волн интерферометрическим методом одна световая волна отражается от зеркал, приклеенных к массивным цилиндрам, вместо датчиков, использованных Вебером. Вибрация цилиндров под воздействием волны вызывает колебания интерференционной картины, а современные электронные методы позволяют обнаружить смещения в сотые доли микрона. Но до сих пор обнаружить гравитационные волны еще никому не удалось.

К 1992 году в США был подготовлен грандиозный проект по созданию обсерватории для поиска гравитационных волн с использованием лазерных интерферометров - ЛИГО (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) общей стоимостью более двухсот миллионов долларов. В его осуществлении приняли участие ученые и инженеры двух крупнейших научных центров США - Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, специалисты из промышленности, из Колорадского, Стэнфордского и Сиракузского университетов. Технология для ЛИГО разрабатывалась двадцать лет. За это время было построено и исследовано несколько вариантов лазерных интерферометров, изготовлено уникальное помехозащитное оборудование и отработан окончательный вариант всей системы, на которой планируется проводить обширные исследовательские программы.

Проект ЛИГО ставит своей целью экспериментально изучить проблему нелинейной гравитации, черных дыр и гравитонов, выведя ее из сферы теоретических построений, и подтвердить, что пульсации кривизны пространства-времени - гравитационные волны - существуют. ЛИГО может позволить исследователям сделать заключение о величине спина (собственного момента количества движения) гравитона. По разнице во времени прибытия электромагнитных и гравитационно-волновых всплесков от одного удаленного события гравитационная обсерватория позволит определить, одинаковы ли скорости этих волн. Если они приходят одновременно, гравитон, как и предсказывает теория, имеет нулевую массу покоя.

Особенность проекта ЛИГО - возможность использования нескольких интерферометров и создания таких оптических схем, в которых одна и та же пробная масса служит общей для двух или нескольких интерферометров.

Сигналы от двойных или нейтронных звезд могут приходить в частотном диапазоне, простирающемся от очень низких частот до примерно 1 кГц. Созданная аппаратура может воспринимать частоты от 40 Гц до нескольких килогерц с максимумом чувствительности на частоте 100 Гц. Исследователи ожидают, что их уникальная установка, открывающая новое поколение гравитационных телескопов, позволит получить фундаментальные результаты, приближающие нас к разгадке многих тайн Вселенной.

№5, 2000