Гравитационные волны в ОТО и проблема их обнаружения - Бичак И.
Скачать (прямая ссылка):
h ~ 4. IO"16 (Л/0 1)1/2 ( М ) [^^0 + ^-(^^)(1 + 2^)172 (Л/0,1) [lQsM&)[ ql(l + z)
(5.21)
где Z — красное смещение и q0 — космологический параметр замедления; выражение в квадратных скобках приблизительно имеет порядок единицы для z— 1. Однако такое слияние черных дыр, по Рису, можно ожидать только один раз за столетие!
Излучение от далеких галактических ядер имеет весьма большую длину волны. В этом отношении они подобны стохастическому реликтовому фону гравитационного излучения.
§ 5.5. СТОХАСТИЧЕСКИЙ ФОН
Проблема возникновения и детектирования стохастического фона была недавно подробно обсуждена Рисом [129]. Сделаем только несколько замечаний. Возможно, что эволюция галактик и их скоплений начиналась с объектов, которые образовались раньше (так, как звезды III популяции). Эти объекты могли скол-лапсировать и образовать черные дыры. К сожалению (хотя процессы такого рода и не могут происходить произвольным образом), масса догалактических объектов может быть оценена слишком грубо в весьма широком интервале IO-2-IO8M0. Если предположить, что рg есть спектральная доля плотности массы, отнесенная к космологической критической плотности в виде гравитационных волн разных частот Qg в интервале бсо=со вокруг частоты со, т. е. Q? = copg/pKp, то простая оценка показывает, что волны сегодня должны иметь амплитуду
Л = 5- Ю-19 YQgV (Гц).
Фактор Qg зависит от многих обстоятельств и может быть близким к 1, но может быть и очень мал. Например, большая амплитуда могла бы приходить на Землю, если предположить, что звезды популяции III, черные дыры, представляющие остатки этих звезд, образуют двойные системы, орбиты которых скручиваются с характерным временем —1010 лет.
Гравитационные волны, составляющие стохастический фон, могли бы также возникать вблизи космологической особенности. Эту задачу рассматривали Грищук [130] и, в рамках инфляционной космологии, Старобинский [131]. Разные верхние пределы на эти «первичные» гравитационные волны, вытекающие из космологических наблюдений, рассматриваются в обзоре Kappa [132].
142 В этой главе не ставилась цель рассмотреть все источники гравитационных волн, с которыми можно встретиться в литературе. Наше внимание было обращено прежде всего на те модели, из которых получается относительно более достоверная информация о форме и параметрах всплесков излучения и, наоборот, из этой формы можно получить какие-то сведения о свойствах источников. Обсуждение других, более спекулятивных, моделей содержится, например, в конце сборника [88].
Оправдывая такой подход, можно согласиться с тем, что писал Торн [133] в 1980 г.: «Учитывая почти ортогональность между характером информации, которую несут электромагнитные и гравитационные волны, я сомневаюсь, что мы, астрофизики, можем делать наши оценки источников гравитационных волн в ближайшем будущем гораздо более определенно, чем сегодня. Достоверное знание должно последовать за действительным открытием и исследованием самих гравитационных волн».
В заключение этой главы приведем рассуждения, которые использовались экспериментаторами при составлении наиболее общего прогноза ожидаемых гравитационно-волновых всплесков, максимально свободного от априорных предположений [200].
Из теории ясно, что мощные всплески гравитационного излучения могут возникнуть только при участии релятивистских объектов—сверхплотных звезд. Нормальные звезды в состоянии обеспечить лишь крайне слабый поток излучения на Землю с очень низкой частотой v^lO-4. Существование черных дыр содержит в себе элемент гипотезы, но такой релятивистский объект, как нейтронная звезда, наблюдается, и его существование сомнению не подлежит. Гипотезой является наличие скоплений нейтронных звезд.
С помощью гравитационного детектора в твердотельном варианте можно перекрыть диапазон частот v~(102—IO4) Гц. Такие частоты характерны для космических катастроф с релятивистскими звездами. Экспериментально наблюдаемое событие такого рода есть вспышка сверхновой. Излучение должно исходить от ее сверхплотного остатка в процессе образования и сразу после. Процесс образования с минимальной гипотетичностью может сопровождаться столкновениями отдельных плотных элементов и несимметричным коллапсом, звездотрясениями и т. д.
Как показывает анализ различных моделей катастроф, по своей структуре излучаемый сигнал в худшем случае содержит один-полтора периода колебаний основной «несущей» гармоники, т. е. его длительность т и частота v связаны соотношением
VT- 1.
Статистика звездных масс нашей Галактики достоверно позволяет взять объекты с массами ЗМ0—30Ме. Более крупные звезды встречаются весьма редко. Без большой ошибки также следует полагать, что доля гравитационного излучения ц составляет Ю-1-М0~3 от энергии покоя звезды.
143 Далее, вероятность отдельного события, по наблюдаемым вспышкам сверхновых в нашей Галактике, примерно равна р— (IO-2-f-10-3)/год на одну галактику. Однако следует учесть возможность таких же ненаблюдаемых событий (вспышка, закрытая пылевыми облаками, звездными скоплениями и т. д.). Тогда прогноз частости составит 10~2/год на галактику.
