Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

этой информации. Разнообразных подробностей и остроумных решений, реализованных в детекторах гравитационных волн, очень много; перед их первым прямым обнаружением на установке LIGO в 2015 г. (столетие спустя после появления уравнений Эйнштейна; Нобелевская премия по физике за 2017 г.) сомнения оставались не столько в том, что они существуют, сколько в том, что ничтожно малые смещения удастся надежным образом обнаружить.

Рис. 7.16. Гравитационная волна говорит материи, как ей двигаться. Находящиеся на геодезических (свободно падающие) частицы расположены по окружности (связей между частицами нет, линии показаны только с целью подчеркнуть форму). Волна проходит перпендикулярно плоскости рисунка. Картинки слева направо – это кадры фильма, сделанные в начале, через четверть периода волны, через полпериода, через три четверти периода и через полный период. Наличие буквы A в метрике вызывает деформации, показанные сверху, а наличие буквы B – показанные снизу. В реальной гравитационной волне деформации двух типов накладываются друг на друга с различными относительными амплитудами

Движение свидетельствовало о гравитационных волнах

Слишком больших сомнений в существовании гравитационных волн не было с тех пор, как излучение энергии в гравитационные волны косвенно измерили за счет движения тел. Открытый в 1974 г. пульсар PSR B1913+16, более известный как пульсар Халса – Тейлора (по именам открывателей и будущих нобелевских лауреатов), вращается вокруг своей оси 17 раз в секунду, и с такой периодичностью на Земле можно детектировать приходящее от него электромагнитное излучение. Пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды, которые из-за своего вращения и сильнейшего собственного магнитного поля выглядят для далеких наблюдателей как космические маяки со строго периодическим сигналом. Но для пульсара PSR B1913+16 периодичность 17 раз в секунду искажалась сменяющими друг друга опережением и отставанием: цикл более раннего и более позднего прихода сигнала повторялся каждые 7 3/4 часа. Причиной этого должно было быть наличие второго тела и их совместное обращение вокруг общего центра масс; сдвиг сигнала по времени говорил, что орбита пульсара имела характерный размер менее диаметра Солнца, а значит, вторым телом не могла быть обычная звезда; случившееся везение, таким образом, состояло в обнаружении двойной системы из нейтронных звезд (вторая нейтронная звезда не проявляла себя как пульсар, по крайней мере ее излучение не было направлено к Земле). Массы всех нейтронных звезд должны лежать в некотором достаточно узком интервале, и, используя это знание вместе с анализом сигналов, удалось сделать заключения об орбите пульсара. Во-первых, поворот орбиты (памятные 43 угловые секунды в столетие для Меркурия) здесь составлял 4 градуса в год. А во-вторых, и это сейчас главное, имея представление об орбите и массе двух тел, из уравнений Эйнштейна можно оценить, сколько энергии уходит из такой системы в виде гравитационных волн. Отток энергии из двойной системы приводит к изменению орбит, а эти изменения отражаются в получаемом сигнале. Появляется возможность из (электромагнитных!) измерений узнать, действительно ли энергия уходит из системы гравитационно и уходит ли так, как предсказывают уравнения Эйнштейна. Ответ: да и да. Вся эта история производит на меня впечатление эффективным одновременным применением различных видов знания (и, конечно, методов наблюдений), позволяющих делать выводы о движении.

«Всплески» метрики могут не производить на материю большого впечатления после того, как они в виде гравитационных волн проделали путь в пару миллиардов световых лет; но в момент своего возникновения, скажем, при слиянии компактных объектов, они – полноправный участник событий. Максимального накала драма достигает при слиянии черных дыр: происходит перестройка геометрии, завершающаяся объединением горизонтов. Два куска искривленной пустоты, отрезанные от остального мира полупроницаемыми барьерами, становятся одним куском искривленной пустоты, отрезанным от остального мира полупроницаемым барьером: две черные дыры одновременно проглатывают друг друга. Часть энергии, которая расплескивается в виде гравитационных волн, совсем не мала даже по космическим стандартам: она может составлять несколько масс Солнца (как всегда в таких случаях, умноженных на c2); как мы обсуждали выше, открылось бы немало возможностей, если бы эту энергию можно было как-то собрать вместе, сохранить и пустить на хорошее дело. А при подчеркнуто неравных массах сливающихся черных дыр излучение гравитационных волн производит эффект типа отдачи/пинка на черную дыру, получившуюся в результате слияния, отчего она может приобрести скорость до ста или более километров в секунду, а при особо удачной ориентации осей вращения – до нескольких тысяч километров в секунду. Сама интенсивность испускания гравитационных волн зависит от ориентации осей вращения по отношению к орбите сближающихся по спирали навстречу друг другу черных дыр; все это тоже можно в принципе извлечь из формы регистрируемого сигнала.

Гравитационные волны вызваны движением в космосе в условиях сильной гравитации (большой кривизны), и их детектирование – это новая возможность узнавать про то, как устроена Вселенная, через движение ее частей. Информацию несет в себе путешествующий на большие расстояния Агент, степень материальности которого Ньютон оставил на Усмотрение своих читателей. Среди них нашлись те, которые усмотрели.

Добавления к прогулке 7

Ньютон из замедления времени. Общая теория относительности – эйнштейновская теория гравитации – радикально изменила взгляды на гравитацию, пространство и время, а заодно обогатила наши представления о движении. Но в «тепличных» условиях – если скорости относительно малы, а гравитация достаточно слаба – формулы эйнштейновской гравитации плавно переходят в законы Ньютона: уравнение геодезических – во второй закон Ньютона в присутствии силы притяжения, а уравнения Эйнштейна – в существенно более простое уравнение, из которого для точечных масс получается закон тяготения (1.1). «Плавно переходят» означает здесь, что часть слагаемых в формулах становятся очень малыми и ими тогда можно смело пренебречь, а то, что после этого остается, и оказывается соотношениями ньютоновой теории. Упрощения получаются колоссальными, потому что «часть слагаемых» – это в действительности почти все. Как мы видели в начале этой прогулки, кривизна пространства-времени строится из абвгдежзик-таблицы, представляющей гравитационное поле. Слабая гравитация означает почти плоское пространство-время; если бы оно было строго плоским, т. е. гравитация отсутствовала бы вовсе, то, как мы видели, таблица приняла бы вид с тремя единицами, одной минус единицей и остальными нулями. А за «слабо неплоское» плоское пространство-время отвечает единственный элемент из всех абвгдежзик: это буква г, значение которой близко к «плоскому» значению –1, но все же несколько отличается от него;