Пулсация на пространство-времето

Гравитационните вълни, теоретично предсказани от Айнщайн през 1917 г., все още очакват своя откривател.

Скоро обаче последва разочарование. Амплитудите на вълните, за които се твърди, че са записани от Вебер, са били милиони пъти по-високи от теоретичната стойност. Вебер твърди, че тези вълни идват от центъра на нашата галактика, която тогава е била малко известна, покрита с прахови облаци. Астрофизиците предполагат, че там се крие гигантска черна дупка, която поглъща всяка година хиляди звезди и изхвърля част от абсорбираната енергия под формата на гравитационно излъчване, а астрономите напразно търсят по-очевидни следи от този космически канибализъм ( сега е доказано, че там наистина съществува черна дупка, но тя сама по себе си води доста прилично). Физици от САЩ, СССР, Франция, Германия, Англия и Италия започнаха експерименти върху детектори от същия тип - и не постигнаха нищо.

Какво представляват гравитационните вълни

Често се казва, че гравитационните вълни са смущения на гравитационното поле, разпространяващо се в пространството. Това определение е правилно, но непълно. Според общата теория на относителността гравитацията възниква от кривината на пространствено-времевия континуум. Гравитационните вълни са флуктуации на пространствено-времевата метрика, които се проявяват като флуктуации на гравитационното поле, поради което често образно се наричат пространствено-времеви вълни. Гравитационните вълни са теоретично предсказани през 1917 г. от Алберт Айнщайн. Никой не се съмнява в тяхното съществуване, но гравитационните вълни все още очакват своя откривател.

Всяко движение на материални тела, водещо до нехомогенна промяна в силата на гравитацията в околното пространство, служи като източник на гравитационни вълни. Тяло, движещо се с постоянна скорост, не излъчва нищо, тъй като естеството на неговото гравитационно поле не се променя. Необходими са ускорения за излъчване на гравитационни вълни, но не и такива. Цилиндър, който се върти около оста на симетрия, изпитва ускорение, но гравитационното му поле остава еднородно и гравитационните вълни не възникват. Но ако завъртите този цилиндър около друга ос, полето ще започне да се колебае и гравитационните вълни ще потекат от цилиндъра във всички посоки.

Това заключение се отнася за всяко тяло (или система от тела), асиметрично спрямо оста на въртене (в такива случаи се казва, че тялото има квадруполен момент). Система от маса, чийто квадруполен момент се променя с времето, винаги излъчва гравитационни вълни.

Основни свойства на гравитационните вълни

Астрофизиците предполагат, че именно излъчването на гравитационни вълни, отнемащо енергия, ограничава скоростта на въртене на масивен пулсар при поглъщане на материя от съседна звезда.

Космически гравитационни маяци

Гравитационното излъчване на земните източници е изключително слабо. Стоманена колона с тегло 10 000 тона, окачена от центъра в хоризонталната равнина и развита около вертикалната ос до 600 об/мин, излъчва мощност от около 10-24 вата. Следователно единствената надежда за откриване на гравитационни вълни е да се намери космически източник на гравитационно лъчение.

В това отношение близките двоични звезди са много обещаващи. Причината е проста: мощността на гравитационното излъчване на такава система нараства обратно пропорционално на петата степен на нейния диаметър. Още по-добре е траекториите на звездите да са силно удължени, тъй като това увеличава скоростта на промяна на квадруполния момент. Съвършено добре е, ако двоичната система се състои от неутронни звезди или черни дупки. Такива системи са подобни на гравитационните маяци в космоса - тяхното излъчване е периодично.

В космоса има и "импулсни" източници, които генерират кратки, но изключително мощни гравитационни изблици. Това се случва с колапса на масивна звезда, предшестваща експлозия на свръхнова. Деформацията на звездата обаче трябва да бъде асиметрична, в противен случай няма да се получи радиация. По време на колапса гравитационните вълни могат да отнесат със себе си до 10% от общата енергия на звездата! Мощността на гравитационното излъчване в този случай е около 10 50 W. Още повече енергия се отделя по време на сливането на неутронни звезди, тук пиковата мощност достига 10 52 W. Отличен източник на радиация е сблъсъкът на черни дупки: техните маси могат да надхвърлят масите на неутронните звезди за милиарди пъти.

Друг източник на гравитационни вълни е космологичната инфлация. Веднага след Големия взрив Вселената започва да се разширява изключително бързо и за по-малко от 10 -34 секунди диаметърът й се увеличава от 10 -33 см до макроскопичен размер. Този процес неизмеримо усилва гравитационните вълни, които са съществували преди да започне и техните потомци са оцелели и до днес.

Непряко потвърждение

Първото доказателство за съществуването на гравитационни вълни идва от работата на американския радиоастроном Джоузеф Тейлър и неговия ученик Ръсел Хълс. През 1974 г. те откриват чифт орбитални неутронни звезди (радиоизлъчващ пулсар с безшумен спътник). Пулсарът се завъртя около оста си със стабилна ъглова скорост (което не винаги е така) и следователно служи като изключително точен часовник. Тази характеристика направи възможно измерването на масите на двете звезди и да се установи естеството на тяхното орбитално движение. Оказа се, че орбиталният период на тази двоична система (около 3 часа 45 минути) се намалява ежегодно със 70 μs. Тази стойност е в добро съгласие с решенията на уравненията на общата теория на относителността, описващи загубата на енергия на звездна двойка поради гравитационно излъчване (сблъсъкът на тези звезди обаче няма да се случи скоро след 300 милиона години). През 1993 г. Тейлър и Хълс получиха Нобелова награда за това откритие.