Гравитационные волны
Гравитацио́нные во́лны — колебательное изменение гравитационного поля, распространяющееся от источника в пространстве со скоростью света. Любые массы, движущиеся с переменным ускорением, являются источниками гравитационных волн. Общая теория относительности предсказывает существование гравитационных волн как свободного гравитационного поля, не привязанного к конкретным массам. Обладая энергией и импульсом, гравитационные волны вызывают деформации в телах, воздействуя на них и вызывая относительное смещение их частей. На этом эффекте основаны эксперименты по обнаружению гравитационных волн, которые сложны из-за маленькой интенсивности этих волн и их слабого взаимодействия с материей[1].
Генерация гравитационных волн
Космос содержит ряд событий, способных порождать гравитационные волны такой интенсивности, что их можно зафиксировать с помощью очень чувствительного оборудования. Эти события являются одними из наиболее энергетически мощных и бурных во Вселенной. Значительные возмущения пространственно-временного континуума, предположительно, возникают при слиянии чёрных дыр. Мощные гравитационные волны могут возникать и при других типах космических столкновений: слияние чёрной дыры с нейтронной звездой или столкновение двух нейтронных звёзд. Для возникновения гравитационных волн космическому объекту не всегда требуется партнёр. Гравитационный коллапс, который происходит во время взрывов сверхновых и оставляет после себя такие остатки, как чёрные дыры и нейтронные звёзды, также является источником этих волн[2].
Гравитационные волны генерируются астрофизическими объектами и явлениями, к которым относятся двойные звёздные системы, быстровращающиеся пульсары, столкновения нейтронных звёзд или чёрных дыр, взрывы сверхновых звёзд и прочее. Мощное гравитационное излучение способно исходить от массивных астрофизических объектов, движущихся близко друг к другу. Двойная звезда Волопаса, две компоненты которой имеют массы порядка массы Солнца, испускает гравитационное излучение мощностью порядка 2·10^23 Вт с периодом около трёх часов. Эта мощность равна примерно 0,1 % от общей мощности электромагнитного излучения Солнца. Звезда Волопаса находится на расстоянии 4·10^17 м от Солнца, при этом плотность потока мощности гравитационного излучения от неё вблизи Земли составляет порядка 10-15 Вт/м²[3].
Регистрация гравитационных волн
Для обнаружения гравитационных волн необходимо оборудование с высокой чувствительностью. Чтобы обнаружить гравитационные волны исследователи используют интерференцию. Лазерный интерферометр может быть задействован для измерения малых сжатий и растяжений пространства, поэтому приводит к сокращению рукавов оборудования на микроскопическую величину. При разделении лазерного луча и направлении его через рукава интерферометра, пространственное сжатие, спровоцированное прохождением гравитационной волны, вызывает прибытие одного лазера немного раньше другого — это означает, что они находятся вне фазы и вызывают деструктивную интерференцию. Разница во времени прихода генерирует интерференцию, которая указывает на то, что гравитационные волны проследовали через один из рукавов[2].
Детектор LIGO задействует два лазерных излучателя, размещенных в обсерваториях Хэнфорд и Ливингстон, которые формируют чувствительный интерферометр. От данных излучателей лазеры направляются по «рукавам» интерферометра, которые служат вакуумными камерами протяжённостью 4 км. Сформировалась система, способная измерять отклонения в пространстве-времени масштабом в 1/10 000 размера атомного ядра[2].
История
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер заявил об обнаружении волн тяготения космического происхождения. До этого момента никто не выступал с подобными утверждениями, и сама возможность детектирования таких волн расценивалась как неочевидная. Поскольку Вебер посвятил поиску гравитационных волн более десяти лет, коллеги отнеслись к его сообщению серьёзно. Амплитуды волн, зарегистрированные Вебером, в миллионы раз превосходили теоретически разумную величину. Вебер указывал, что эти волны исходят из центра нашей Галактики, скрытого пылевыми облаками, о котором в то время было известно мало. Астрофизики выдвинули гипотезу о существовании там гигантской чёрной дыры, которая ежегодно пожирает тысячи звёзд и выбрасывает часть поглощённой энергии в форме гравитационного излучения. Астрономы предприняли поиски более явственных следов этого космического явления. Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии начали проводить эксперименты на детекторах аналогичного типа, но не добились никаких результатов[4][5].
14 сентября 2015 года два детектора обсерватории LIGO, расположенные в Хэнфорде и Ливингстоне, зафиксировали возмущения пространственно-временного континуума, вызванные слиянием двух чёрных дыр, которое произошло более миллиарда лет назад в удалённой галактике. С того момента число зарегистрированных подобных сигналов достигло сотен, при этом отчётливые наблюдения дополнительно подтвердили ключевые положения Хокинга о чёрных дырах. За десятилетие чувствительность обсерватории LIGO, а также её европейских партнёров Virgo и японского KAGRA удвоилась. Теперь они способны охватывать область Вселенной вдвое шире, где находится в восемь раз больше галактик[6].
В Соединённых Штатах активно продвигается проект Cosmic Explorer — интерферометр, схожий с LIGO, но имеющий плечи длиной около сорока километров, что в десять раз превышает размеры существующих установок. Если этот комплекс будет успешно построен и введён в эксплуатацию согласно плану, учёные рассчитывают ежегодно регистрировать до ста тысяч слияний чёрных дыр, охватывая фактически любую точку в пределах наблюдаемой Вселенной. Среди этих событий будут и те, что произошли более десяти миллиардов лет назад, в периоды активного формирования и гибели звёзд, а также образования чёрных дыр в галактиках. Ежегодно прибор также сможет фиксировать свыше миллиона слияний нейтронных звёзд, что соответствует примерно одному событию каждые несколько секунд[6].
Виды гравитационных волн
Непрерывные гравитационные волны
Одиночный массивный вращающийся объект, например нейтронная звезда, способен генерировать непрерывный сигнал гравитационных волн, из-за несовершенства её сферической формы. Если скорость вращения такого объекта остаётся постоянной, излучаемые им гравитационные волны будут характеризоваться неизменными частотой и амплитудой. Исследователи создали симуляцию звучания такой непрерывной гравитационной волны, преобразовав в акустический формат сигнал, обнаруженный обсерваторией LIGO[2].
Компактные бинарные спиральные гравитационные волны
Все сигналы, зафиксированные LIGO, относятся к данной категории, а именно гравитационные волны, генерируемые парами массивных вращающихся объектов, таких как чёрные дыры или нейтронные звезды. Эти источники подразделяются на три отдельные подкатегории[2]:
- Бинарная чёрная дыра (BBH).
- бинарная нейтронная звезда (BNS).
- Бинарная нейтронная звезда-чёрная дыра (NSBH).
Каждый из этих типов бинарных пар генерирует свой уникальный паттерн гравитационных волн, однако их объединяет один основной механизм возникновения — генерация по спирали (инспирал). Этот процесс развивается на протяжении миллионов лет, в ходе которого гравитационные волны постепенно уносят энергию из системы, вынуждая объекты двигаться по спирали всё ближе друг к другу до их окончательного слияния. По мере сближения объекты ускоряются, излучая гравитационные волны сильнее[2].
Стохастические гравитационные волны
Землю постоянно могут пересекать небольшие гравитационные волны, приходящие со всех направлений в любое время. Из-за случайного характера эти волны известны как стохастические гравитационные волны. Часть этого стохастического сигнала возникла во время Большого взрыва. В случае успешного обнаружения этот сигнал позволит увидеть историю Вселенной дальше, чем с помощью любого электромагнитного сигнала, до той эпохи, когда фотоны ещё не могли свободно перемещаться в пространстве[2].
Примечания
- ↑ Гравитационные волны: 7 вопросов о событии нобелевского масштаба. ТАСС (11 февраля 2016). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Что такое гравитационные волны?. Новая наука (1 июня 2021). Дата обращения: 13 октября 2025.
- ↑ Брагинский В. Б., Меренкова Е. Ю. Гравитационные волны. БРЭ. Дата обращения: 13 октября 2025.
- ↑ Левин А. Гравитационные волны: дорога к открытию. ТРВ (12 февраля 2016). Дата обращения: 13 октября 2025.
- ↑ Левин А. Рябь пространства-времени. Популярная механика» №6 (2006). Дата обращения: 13 октября 2025.
- ↑ 6,0 6,1 Десять лет, которые потрясли физику. 14 сентября 2015 года человечество впервые «услышало» гравитационные волны. Подробнее: https://www.securitylab.ru/news/563448.php. SecurityLab (13 сентября 2025). Дата обращения: 13 октября 2025.