Источники гравитационного излучения

Источники гравитационного излучения

– Возьмем две звезды, разгоним почти до скорости света и столкнем. Что произойдет?

– Нехилый коллайдер получится…

Из форума

Слабость гравитационного излучения оставляет мало шансов для его регистрации. Где же искать подходящие источники? Наш соотечественник, замечательный физик-теоретик Владимир Фок (1898–1974), рис. 10.4, был первым, кто в 1948 году обратил внимание на возможность детектирования гравитационного излучения, возникающего при астрофизических катастрофах. Детальный анализ позволяет сделать вывод, что наиболее перспективными источниками гравитационных волн будут компактные объекты, размеры которых сравнимы с гравитационным радиусом, а скорости сравнимы со скоростью света. Согласно расчетам, при слиянии двух нейтронных звезд излучается около 10⁴⁵ Дж в виде всплеска гравитационного излучения, т. е. около 1 % от их полной энергии.

Теперь подробнее о космических источниках. Вспышки сверхновых. Итак, наиболее перспективные источники гравитационных волн должны быть компактными и иметь большие скорости движения масс, формирующих ненулевой квадрупольный момент.

Такие экстремальные физические условия могут сопутствовать рождению нейтронных звезд или черных дыр во время коллапсов ядер массивных звезд. Эту модель эволюции звезд мы вкратце рассмотрели выше. Невозможно дать надежный расчет этого процесса, хотя и можно ожидать значительной несферичности коллапса. Современная приблизительная оценка энергии, излученной в виде гравитационных волн за время коллапса, – 10^–9–10^–3 М_?c², где М_? ^{– масса Солнца. Такой импульс от сверхновой} в нашей Галактике (пусть с расстояния порядка 10 кпк) дошел бы до нас с амплитудой h ~ 10^–21. Вспышки сверхновых в нашей Галактике происходят в среднем 1 раз в 30–50 лет, поэтому вероятность зарегистрировать такое событие не очень велика.

Но чувствительность детекторов (о них будем говорить далее) возрастает, а значит и область пространства, доступная для наблюдений таких событий, тоже увеличивается, охватывая и соседние галактики. В результате вероятность регистрации событий становится все больше. Однако теоретически остается очень большая неопределенность в расчете параметров выделяемой энергии в виде гравитационных волн. Это не дает основания считать сверхновые оптимальными источниками для обнаружения гравитационных волн на современных детекторах.

Рис. 10.4. Владимир Фок

Вращающиеся нейтронные звезды. Если тело асимметрично или ось вращения не совпадает с осью симметрии, то оно излучает гравитационные волны, поскольку такая система имеет переменный квадрупольный момент. С большой вероятностью такие тела во Вселенной есть – это вращающиеся нейтронные звезды, если они деформированы. Есть различные их модели, но обычно параметры деформации предсказать сложно. При разумных предположениях излучение этого типа может иметь мощность 100–1000 кВт. Это, конечно, очень мало. Однако достаточно точно известна частота вращения таких звезд. А это дает возможность накапливать периодический сигнал в непрерывном потоке данных.

Двойные звезды. Чтобы представить пример системы с заведомо большим квадрупольным моментом, нужно, конечно, рассмотреть две звезды, вращающиеся по орбитам вокруг общего центра масс. Такой астрофизический объект называется двойной звездой.

Несмотря на некоторую экзотичность в обычном восприятии, двойных звезд в нашей Галактике не меньше половины от полного их числа, т. е. их должно быть около 100 миллиардов! Поэтому они являются самыми надежными источниками гравитационных волн в нашей Галактике. О свойствах излучения двойных звезд рассказано в предыдущем параграфе. Весь вопрос в том, насколько частота и амплитуда этих волн дают возможность обнаружить их с помощью современных детекторов.

Постоянное уменьшение энергии двойной системы за счет 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 PSR 1913+16, входящего в состав двойной системы, вторым компонентом которой является другая нейтронная звезда, не наблюдаемая как пульсар. В двойной системе из двух нейтронных звезд нет иных физических механизмов уменьшения орбитальной энергии, кроме как за счет излучения гравитационных волн. Причем 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 звездами, подтверждая выводы ОТО с высокой точностью. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715 и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между компонентами двойного пульсара PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 6,35 см в день.

Слияние двух звезд. 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 звезд или черных дыр это время меньше жизни Вселенной. Например, для двойного пульсара PSR 1913+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 черные 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 звезд, а оценки темпа слияния дают одно событие в миллион лет. Из теории звездной 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 гравитационно-волновой 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^-35 с, или ранее. Это соответствует энергиям 10¹⁶ ГэВ, может даже большим. В эту эпоху еще 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 10¹⁶ ГэВ.

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 10¹¹ ГэВ. 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^–17 Гц. В оптимистическом варианте среднее значение метрических вариаций в диапазоне приема гравитационных антенн (100–1000 Гц) ожидается на уровне h ~ 10^–24 при очень узкой полосе приема ?f = 3 · 10^–8 Гц.

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^–4 Гц, а усредненная безразмерная амплитуда – примерно 10^–20.

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

Данный текст является ознакомительным фрагментом.