Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Прошло 30 лет после предсказания А. Эйнштейна о существовании гравитационного излучения. Первым, кто обратил внимание на возможность “использования” внеземных (астрофизических) источников был советский физик В.А. Фок. Действительно, массы планет и звезд на много порядков больше масс, которыми может “располагать” экспериментатор в наземной лаборатории. В. А. Фок оценил величину мощности гравитационного излучения, возникающего при вращении планеты Юпитера вокруг Солнца. Эта величина оказалась неожиданно большой: около 4 х 10 9 эрг / сек = 400 Ватт [3]. Еще через несколько лет после работы В. А. Фока началась серьезная “проработка” (по существу - поиск)
2
возможных мощных источников гравитационного излучения от космических катастроф. Значительный вклад в этом направлении исследований внесли советские физики Я.Б. Зельдович, И.С. Шкловский, Н.С. Кардашев, И.Д. Новиков. Их анализ, выполненный в начале 60-х годов показал, что если на большую черную дыру упадет нейтронная звезда, то несколько процентов от произведения массы звезды на ^ превратится в всплеск гравитационного излучения. Эти работы положили начало широкому “поиску” (созданию прогноза) самых различных космических источников гравитационного излучения. О некоторых из них будет рассказано в следующих разделах. В этом поиске участвовало и сегодня участвует больше ста космологов-теоретиков (см. например обзоры [2, 4]). Почти сразу же, в самом начале этого поиска, в результате просмотра астрономических каталогов двойных звезд (а таких в нашей Галактике около 50%) оказалось, что сравнительно недалеко от нашего Солнца есть близкие двойные звезды излучающие больше 10 22 Ватт гравитационного излучения (!), т. е. мощность порядка 0.1% от того, что наше Солнце “отдает” в виде оптического и инфракрасного электромагнитного излучения. Правда гравитационное излучение от этих двойных звезд имеет период порядка единиц часов. До Земли от таких источников доходит поток с плотностью = 10 -13 Вт / м 2 . Если бы наземные гравитационные антенны обладали бы такой же эффективностью, как и электромагнитные антенны, то зарегистрировать такой поток мощности не составило бы никакого труда. Однако особенности квадрупольного “характера” гравитационного излучения проявляются и в слабости взаимодействия волны с гравитационно-волновой антенной. Об этом будет подробно рассказано в следующем разделе.
В 1967 г. произошло знаменательное событие: Дж. Белл и Э. Хьюиш [5] открыли первые нейтронные звезды. До этого теоретики лишь предполагали существование таких объектов (масса такой звезды примерно равна массе Солнца, размер - около 10 км). По существу было открыто то, что теперь принято называть пульсарами: быстро вращающиеся нейтронные звезды с большим магнитным полем и одной особенностью (ось магнитного момента не совпадает с осью вращения). С этого времени космологи-теоретики получили надежное экспериментальное доказательство существования таких массивных и компактных звезд, и задача о расчете величины и формы всплеска гравитационного излучения от слияния пары таких звезд стала остро актуальной. Несколько групп решали эту задачу разными способами. На решение ее ушло больше десяти лет. В настоящее время достигнуто согласие между независимыми группами о том, что всплеск излучения имеет полную энергию около одного процента (!) от Mc (М - масса звезды), т. е. 10 45 Джоуля = 10 52 эрга . Всплеск представляет собой во времени цуг длительностью в несколько секунд с возрастающей к концу частотой и плавно изменяющейся амплитудой. Средняя частота в таком всплеске - около 100 Гц. Однозначного, полного согласия о форме всплеска и средней частоте нет в первую очередь потому, что точно не известно уравнение состояния для вещества, из которого “сделана” нейтронная звезда. Нет и согласия о том, как часто такие события происходят. Довольно значительное число исследователей согласно с хорошо обоснованной моделью Г. Бете и Г. Брауна, которая предсказывает частость: одно слияние в 104 лет в одной галактике. Чтобы регистрировать на Земле “пролет” одного всплеска примерно раз в месяц необходимо “использовать” примерно 105 галактик. Это количество занимает сферу с радиусом около 1026 см. Учитывая полную величину энергии во всплеске и это расстояние до края сферы, экспериментаторы должны создать антенны, которые могли бы зарегистрировать плотность потока мощности в гравитационной волне примерно равную 10эрг /(сек • см2) = 10-2Вт /м2.
3
Приведенные выше оценки и являются основой для программы наземных гравитационно-волновых антенн в проектах LIGO и VIRGO. Они подробно описаны в следующем разделе. Уместно отметить, что если консервативнооптимистическая оценка: одно событие в галактике раз в 104 лет неверна, но верна пессимистическая - один раз в 105 лет, то в перспективе развития этих проектов предусмотрено повышение чувствительности (через примерно 6-7 лет) на порядок. Так что и в этом, неблагоприятном случае всплески будут зарегистрированы (см. детали в обзоре [6]).
В заключение этого раздела уместно отметить, что через несколько лет после открытия нейтронных звезд-пульсаров Дж. Тэйлор и Р. Халс открыли двойной пульсар (обе звезды - нейтронные) со сравнительно коротким периодом обращения. Тщательные измерения монотонного увеличения частоты обращения (сближение компонентов за счет потери ньютоновской энергии на гравитационное излучение) позволило проверить формулу А. Эйнштейна для этого излучения. Она оказалась верной, погрешность измерений - около 3%.
