Гравитационные волны

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m₁ и m₂, движущиеся нерелятивистски ${\displaystyle (v\ll c)}$ по круговым орбитам вокруг их общего центра масс (см. задача двух тел) на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей мощности, в среднем за период[8]:

${\displaystyle -{\frac {\it {d{\mathcal {E}}}}{\it {dt}}}={\frac {32\,G^{4}m_{1}^{2}m_{2}^{2}\left(m_{1}+m_{2}\right)}{5\,c^{5}r^{5}}},}$

где G — гравитационная постоянная. Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

${\displaystyle {\dot {r}}=-{\frac {64\,G^{3}m_{1}m_{2}\left(m_{1}+m_{2}\right)}{5\,c^{5}r^{3}}}.}$

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения примерно 5 киловатт; мощность, излучаемая подсистемой Солнце — Земля, составляет около 200 Вт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел[12][13]. Частота излучаемых гравитационных волн равна удвоенной частоте обращения системы двух тел.

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Эти волны описываются метрикой вида

${\displaystyle ds^{2}=(dx^{0})^{2}-((dx^{1})^{2}+\alpha (dx^{2})^{2}+2\beta (dx^{2}dx^{3})+\gamma (dx^{3})^{2}).}$

Если ввести переменную ${\displaystyle u=x^{0}-x^{1}}$ и функцию ${\displaystyle \lambda =\alpha \gamma -\beta ^{2}}$, то из уравнений ОТО получим уравнение

${\displaystyle {\frac {d^{2}\lambda }{du^{2}}}-{\frac {1}{2}}{\frac {d\lambda }{du}}{\frac {d(\ln \lambda )}{du}}-{\frac {d\alpha }{du}}{\frac {d\gamma }{du}}-\left({\frac {d\beta }{du}}\right)^{2}=0.}$

имеет вид

${\displaystyle ds^{2}=(P+S)(dx^{0})^{2}-2Sdx^{0}dx^{1}-(P-S)(dx^{1})^{2}-\alpha (dx^{2})^{2}-2\beta (dx^{2}dx^{3})-\gamma (dx^{3})^{2},}$

где ${\displaystyle P,S}$ -функции, ${\displaystyle \alpha ,\beta ,\gamma }$ удовлетворяют тому же уравнению.

${\displaystyle ds^{2}=e^{2\mu }[(dx^{0})^{2}-(dx^{1})^{2}]-(u^{2})[e^{2\nu }(dx^{2})^{2}-e^{-2\nu }(dx^{3})^{2}],}$

где ${\displaystyle \mu ,\nu }$ удовлетворяют уравнению

${\displaystyle 2{\frac {d\mu }{du}}=u\left({\frac {d\nu }{du}}\right)^{2}.}$

${\displaystyle ds^{2}=(dx^{0})^{2}-(dx^{1})^{2}-2\varphi (dx^{0}+dx^{1})^{2}-(dx^{2})^{2}-(dx^{3})^{2},}$

при этом ${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial {x^{2}}\partial {x^{2}}}}+{\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial {x^{3}}\partial {x^{3}}}}=0.}$

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид

${\displaystyle ds^{2}=[(dx^{0})^{2}-dr^{2}]e^{2\gamma -2\psi }-(dz^{2})e^{2\psi }-r^{2}(d\varphi ^{2})e^{-2\psi }}$

и выполняются

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial {x^{0}}^{2}}}-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial \psi }{\partial {r}}}-{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial {r}^{2}}}=0,}$

${\displaystyle {\frac {\partial \gamma }{\partial {r}}}=r\left[\left({\frac {\partial \psi }{\partial {r}}}\right)^{2}+\left({\frac {\partial \psi }{\partial {x^{0}}}}\right)^{2}\right],}$

${\displaystyle {\frac {\partial \gamma }{\partial {x^{0}}}}=2r{\frac {\partial \psi }{\partial {r}}}{\frac {\partial \psi }{\partial {x^{0}}}}.}$

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал[23].

Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа — в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35—350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6,9+0,5
−0,4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35—350 Гц. Сплошная линия — результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии — области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборациями LIGO и VIRGO.[24] Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10⁻²¹ был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914[25]. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда световых лет, излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия — эквивалент около 3 солнечных масс[23][26][27].

Благодаря практически одновременному наблюдению гравитационно-волнового события GW170817 и электромагнитного сигнала GRB 170817A впервые установлены прямые ограничения на отклонение скорости гравитационных волн от скорости света. Если такое отклонение существует, оно лежит в пределах от −3×10⁻¹⁵ до +0,7×10⁻¹⁵, то есть совместимо с нулём в пределах погрешности[28].

За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике[7].

Первый период наблюдения (сезон O1) — с 12 сентября 2015 по 19 января 2016. В это время действовал только детектор LIGO, и он обнаружил три гравитационных всплеска. После этого инструмент был остановлен для усовершенствования и повышения чувствительности.

Второй период наблюдения (сезон O2) — с 30 ноября 2016 по 25 августа 2017; к обновлённому американскому LIGO присоединился европейский детектор VIRGO (третий детектор на планете), при этом точность возросла почти в 10 раз). Четвёртое наблюдение было сделано 14 августа 2017[29].
Всего за эти месяцы было обнаружено 8 событий, в том числе первое столкновение нейтронных звёзд. Так, 17 августа 2017 один из двух детекторов LIGO зафиксировал небывало длинный — около 100 секунд — сигнал (позже выяснилось, что волну, искажённую шумами, увидел и второй детектор LIGO, а также и VIRGO); несколько секунд спустя мощную вспышку гамма-излучения заметили автоматические телескопы «Ферми» и «Интеграл». Благодаря такому богатому набору наблюдений удалось достаточно точно предсказать, где искать источник, и вскоре он был найден — столкновение двух нейтронных звезд (то есть килоновая) 1,1 и 1,16 массы Солнца в 130 млн световых лет от нас, в созвездии Гидры[30].

После этого оба детектора были вновь остановлены для модернизации.

Третий период наблюдения (сезон O3) — с апреля 2019 года. Сейчас (ноябрь 2020) подведены итоги периода O3a: с 1 апреля по 1 октября 2019 (зарегистрированных событий: 39, рекордное количество); данные сезона O3b (1 ноября 2019 года – 27 марта 2020) ещё обрабатываются. В данный момент оба детектора остановлены на очередную модернизацию, что сделает их ещё более чувствительными; планируется, что они возобновят работу в 2021 году.

Обнаружено: столкновение GW 190412 (апрель 2020) — одна из чёрных дыр имела массу 29,7 Солнца, а другая — 8,4 Солнца (это делает данную двойную систему наименее массивной из всех обнаруженных до сих пор пар чёрных дыр); такое слияние также породило более продолжительный гравитационный сигнал. [31]

Полученные данные, помимо прочего, были использованы, в том числе, чтобы с исключительной строгостью проверить общую теорию относительности Эйнштейна.[32]

По мнению американского астрофизика Лоуренса Краусса, если в будущем удастся измерить сигнатуру инфляционных гравитационных волн, это позволит существенно приблизить исследования к моменту Большого Взрыва, а также проверить инфляционную модель Вселенной и разрешить другие насущные проблемы теоретической физики и космологии[33].

Идея гравитонного лазера возникла в связи с появлением лазера и открытием гравитационных волн. Предполагается, что, в силу универсального принципа корпускулярно-волнового дуализма, существуют кванты гравитационного излучения гравитоны (со спином 2). Они, как и кванты электромагнитного излучения фотоны (со спином 1), являются бозонами. Следовательно, теоретически можно создать гравитонный лазер — устройство для гравитационного излучения, подобное лазеру для электромагнитного излучения[34]. Предполагается, что в природе явление, подобное гравитонному лазеру, может существовать в окрестности чёрных дыр[35]. В настоящее время, из-за чрезвычайной малости гравитационной постоянной, генерация вынужденного гравитационного излучения не осуществлена. Обсуждаются лишь гипотетические возможные конструкции гравитационного лазера.

Теоретически существует возможность использовать гравитационные волны для дальней беспроводной связи; этот принцип был запатентован советским учёным В. А. Буниным в 1972 году[36][37].

Преимуществом гравитационно-волновой связи (устар.: гравиосвязи) по сравнению с радиосвязью является способность гравитационных волн проходить, почти не поглощаясь, сквозь любые вещества, тогда как электромагнитные волны сквозь электропроводящие среды (например, землю и морскую воду) практически не проникают[38].

Работы в этом направлении велись в лабораториях СССР и в других странах[38]. Но на практике из-за трудностей генерации и детектирования гравитационных волн, вызванных крайней малостью гравитационных сил, гравитационно-волновую связь осуществить не удалось.

В настоящее время работы по генерации и детектированию гравитационных волн в лабораторных условиях находятся на теоретической стадии[39]. Изучаются возможности излучения гравитационных волн электродинамическими системами[40].

Выдвинута гипотеза о возможности генерации высокочастотных гравитационных волн в конденсированной диэлектрической среде под действием интенсивного лазерного излучения и обратного процесса детектирования гравитационных волн этой средой путём преобразования гравитационного излучения в оптическое (повторение эксперимента Герца для гравитационных волн).[41]

Гравитационно-волновая связь упоминается как атрибут техники далёкого будущего в ряде произведений научно-фантастической литературы (например, С. Снегов «Люди как боги», К. Булычёв «Похищение Тесея», С. Лукьяненко «Именем Земли» и др.).

По мнению американского астрофизика Брайана Грина излучение гравитационных волн при движении различных космических объектов, действует подобно трению и в долгосрочной перспективе приводит к коллапсу космических систем, таких как планетарные системы звезд и галактики[42]