Что колеблется в гравитационной волне
В обычной волне на воде колеблется поверхность, в звуковой — давление воздуха, в электромагнитной — электрическое и магнитное поля. В гравитационной волне колеблется самое необычное — геометрия пространства-времени. Согласно Общей теории относительности (ОТО), масса искривляет пространство-время вокруг себя. Если масса резко меняет своё движение, искривление не «успевает» перестроиться мгновенно — возмущение разбегается во все стороны как рябь по пруду.
Эту рябь и называют гравитационной волной. Она реальна и переносит энергию, но почувствовать её крайне трудно: эффект чудовищно мал.
Откуда они берутся
Не любое движение массы рождает заметную волну. Нужны очень массивные тела, движущиеся с огромным ускорением и несимметрично. Главные источники, которые мы регистрируем:
- Слияние двух чёрных дыр — самый частый «улов». Перед слиянием они вращаются друг вокруг друга всё быстрее, теряя энергию именно на излучение гравитационных волн.
- Слияние нейтронных звёзд — даёт и волны, и вспышку света (зарегистрировано в 2017 году, событие GW170817).
- Несимметричные взрывы сверхновых и, теоретически, реликтовый фон от Большого взрыва.
Земля, вращаясь вокруг Солнца, тоже излучает гравитационные волны — но мощность их ничтожна, около 200 ватт на всю систему, поэтому орбита практически не меняется.
Как ОТО это предсказала
Эйнштейн вывел существование гравитационных волн из уравнений ОТО ещё в 1916 году. Долго оставалось неясным, реальны ли они или это математический артефакт. Косвенное доказательство пришло в 1970–80-х: пульсар Халса–Тейлора (двойная нейтронная звезда) терял энергию орбиты ровно с той скоростью, какую предсказывало излучение гравитационных волн. За это дали Нобелевскую премию 1993 года.
Как их ловят: LIGO
Прямую регистрацию выполнили обсерватории LIGO — это огромные интерферометры. Лазерный луч расщепляют на два, пускают по двум перпендикулярным «рукам» длиной 4 км и сводят обратно. Если длины рук одинаковы, лучи гасят друг друга. Проходящая гравитационная волна на доли секунды чуть удлиняет одну руку и укорачивает другую — и детектор фиксирует слабую вспышку света.
Насколько слабо изменение? Относительное растяжение составляет около 10⁻²¹. На длине 4 км это смещение зеркал в тысячи раз меньше диаметра протона. Зарегистрировать такое — инженерный подвиг.
Событие 2015 года
14 сентября 2015 года LIGO поймала сигнал GW150914 — слияние двух чёрных дыр массами около 36 и 29 масс Солнца на расстоянии ~1,3 миллиарда световых лет. За доли секунды энергия, эквивалентная массе примерно 3 Солнц, превратилась в гравитационное излучение. Это было первое прямое наблюдение и подтверждение существования чёрных дыр через гравитацию. Нобелевская премия по физике 2017 года.
Чем гравитационная волна отличается от других волн
Полезно сравнить её с привычными волнами. Звуковая волна — это колебания плотности воздуха, и ей нужна среда: в вакууме звука нет. Электромагнитная волна (свет) среды не требует, но колеблются в ней поля внутри пространства. Гравитационная волна идёт ещё дальше: колеблется само пространство-время, его «ткань». Никакой среды-носителя ей не нужно — она и есть рябь самой арены, на которой разворачиваются все события.
Ещё одно отличие — характер деформации. Гравитационная волна действует «приливно»: одновременно растягивает пространство в одном поперечном направлении и сжимает в перпендикулярном, потом наоборот. Кольцо из свободных частиц под действием волны периодически превращается то в вытянутый овал по горизонтали, то по вертикали. Именно эту смену формы и ловит интерферометр.
Что узнают из формы сигнала
Сигнал слияния чёрных дыр имеет характерный вид «чирпа»: частота и амплитуда колебаний нарастают, пока тела сближаются по спирали, и резко обрываются в момент слияния. По форме этого сигнала физики восстанавливают массы и спины чёрных дыр, расстояние до них и даже проверяют, точно ли всё происходит по уравнениям ОТО. Пока все наблюдения согласуются с теорией Эйнштейна с высокой точностью.
Зачем это нужно
Гравитационные волны открыли новый канал наблюдения Вселенной — «гравитационную астрономию». Свет от слияния чёрных дыр почти не виден, а гравитационная волна доносит информацию о событиях, которые телескопы не увидят. Это как если бы к зрению добавили слух: мы стали «слышать» космос. Сегодня работает целая сеть детекторов (LIGO в США, Virgo в Европе, KAGRA в Японии), а на будущее планируют космические обсерватории — они смогут улавливать волны от ещё более массивных слияний.
