«Вселенная есть книга, которую мы не писали, но которую мы любим читать» - Марчелло Глейзер.
В 1682 году Исаак Ньютон постулировал закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу и сила притяжения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В 1905 году Анри Пуанкаре впервые ввел понятие гравитационных волн и предсказал их существование. В 1916 году Альберт Эйнштейн в общей теории относительности (ОТО) дал физический смысл и теоретическое обоснование гравитационных волн. Любое тело массой М, которое движется с ускорением излучает гравитационную волну.
В 2015 году группа исследователей из Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Барри Бэриш, Кип Торн и Райнер Вайсс обнаружили гравитационные волны. Они возникли от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных в одну гигантскую черную дыру массой 62 солнечных. За десятые доли секунды энергия гравитационного излучения составила эквивалент около 3 масс Солнца. Расстояние до источника гравитационных волн было 1,3 миллиарда световых лет.
Скорость распространения гравитационных волн в ОТО равна скорости света. В других теориях гравитации она принимает любые значения, включая бесконечную скорость распространения. По результатам экспериментов LIGO пределы скорости гравитационных волн с вероятностью 90 % оцениваются от 0,55 до 1,42 скорости света. Длина периода гравитационных волн может составлять миллионы лет, а частота может измеряться в наногерцах.
Гравитационный коллапс двойной системы
ОТО предсказывает, что любой двойной объект во Вселенной (двойная звезда, две планеты, звезда и планета) при вращении вокруг общего центра масс теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн, вызывая уменьшение радиуса орбит. И ,в конце концов, сливается воедино. Для обычных, «нетяжелых» , двойных звёзд этот процесс может занимать время, много большее настоящего возраста Вселенной.
Например наиболее мощными источниками гравитационных волн во Вселенной являются:
- сталкивающиеся галактики с гигантскими массами и небольшими ускорениями,
- слияние нейтронных звезд или гравитационный коллапс двойной системы «тяжелых» объектов, с гигантскими массами и колоссальными ускорениями. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимальной или к «бесконечно» возможной в природе планковской светимости.
Для Солнечной системы это
- подсистема Юпитер и его спутник Ио. Мощность гравитационного излучения составляет около 220 киловатт
- подсистема Солнце — Юпитер. Мощность гравитационного излучения составляет около 5 кВт
- подсистема Солнце — Земля. Мощность гравитационного излучения составляет около 200 Вт.
То есть энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, очень мала по сравнению с характерной кинетической энергией тел.
Если двойная система состоит из пары черных дыр, нейтронных звезд или их комбинации, то слияние происходит за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются и период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды. За это время в гравитационное излучение преобразуется часть энергии, которая по некоторым оценкам, может составлять более 50 % от общей массы системы.
Гравитационно-волновая астрономия
Гравитационно-волновая астрономия есть новый раздел астрономии, который изучает космические объекты и явления с помощью гравитационных волн. Это перспективная область науки, которая открывает новые возможности для понимания Вселенной. С помощью гравитационных волн сегодня изучают такие явления как слияние чёрных дыр, взрывы сверхновых, раннюю историю Вселенной, тёмную материю. Для обнаружения гравитационных волн используют специальные детекторы, такие как LIGO, VIRGO, KAGRA , LISA.
Гравитационные и электромагнитные волны связаны между собой в таких астрофизических процессах как слияние черных дыр или нейтронных звезд. И электромагнитные и гравитационные волны переносят энергию и импульс, являются поперечными, имеют два направления поляризации и распространяются со скоростью света. Массу переносчиков электромагнитного и гравитационного взаимодействий фотон и гравитон считают равными нулю, но вопрос существования гравитона до сих пор остается открытым. Электромагнитные волны возникают из-за колебаний электрических и магнитных полей, а гравитационные волны возникают из-за колебаний пространственно-временной метрики.
При слиянии черных дыр или нейтронных звезд гравитационные волны несут информацию о массе, спине и орбите объектов , а электромагнитные волны несут информирмацию о температуре, составе и окружении астрофизических объектов. Совместное наблюдение гравитационных и электромагнитных волн дает полную и точную картину астрономических объектов нашей Вселенной.
Гравитационные волны и научная фантастика
По аналогии с существующими электромагнитными технологиями существуют разные теоретические гравитационные технологии. Например
- связь на гравитационных волнах. Для такой связи необходимо иметь источник, который может генерировать и модулировать гравитационные волны. И приемник, который может их обнаруживать и декодировать. Существующие детекторы гравитационных волн могут регистрировать только очень сильные источники гравитационных волн, такие как слияние чёрных дыр или нейтронных звезд. Для создания искусственных гравитационных волн требуются очень большие энергии и массы, которые недоступны для человечества. Также гравитационные волны очень сложно модулировать и кодировать, так как они не взаимодействуют с другими полями и веществами.
- гравитонный лазер есть фантастическое устройство, которое могло бы генерировать когерентное гравитационное излучение, подобно тому, как современный лазер генерирует когерентное электромагнитное излучение. Гравитонный лазер основан на предположении, что гравитоны, кванты гравитационного поля , несут гравитационные волны. При его реализации гравитонный лазер мог быть использован для детектирования тёмной материи и энергии, для связи на супер больших расстояниях, для создания антигравитации, для управления гравитационными линзами. Но гравитоны остаются существовать только на бумаге.
Таким образом, связь на гравитационных волнах и гравитационный лазер являются интересными идеями, но нереальными и спекулятивными областями исследований. И пока остаются в области научной фантастики.
«Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими. Она полезна потому, что она величественна. Она полезна потому, что она прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как велик он духом. Ибо ум его в состоянии объять сияющие бездны и в состоянии насладиться их безмолвной гармонией. Так мы приходим к осознанию своей мощи. И это осознание много стоит, потому что делает нас сильнее» - Анри Пуанкаре.