Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://xray.sai.msu.ru/~lipunov/pops/graw/node1.html
Дата изменения: Fri Jun 16 18:36:57 2000
Дата индексирования: Tue Oct 2 09:39:54 2012
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: vallis

Как излучаются гравитационные волны?

Кто и что излучает гравитационные волны? Например, вы, уважаемый читатель. Потрясите рукой, -- и во все стороны Вселенной со скоростью света помчатся волны пространства-времени. Они нигде не поглотятся и будут вечным свидетельством вашего существования! След от прочтения этой статьи останется вечным. Другое дело, что он будет очень слабым. А как создать более мощный сигнал?

В 1918 году А.Эйнштейн вывел формулу для интенсивности волны. Оказалось, что получать гравитационные волны и легче, и сложнее, чем электромагнитные. Легче потому, что тело, излучающее грав-волны, не обязательно должно быть заряженным. А труднее потому, что для появления волн пространства и времени нужно не просто ускоренное движение тела, а такое ускоренное движение, при котором менялся бы квадрупольный момент тела. Другими словами, тело должно менять свое место в пространстве таким образом, чтобы сила притяжения вне его менялась неравномерно. Например, сплюснутая вдоль оси вращения репа ничего не излучает, но стоит проткнуть её осью вращения под углом к оси симметрии, -- и вы получили источник гравитационных волн, уносящих энергию вращения репы.

Сначала физики собирались взять какое-нибудь тело побольше и тряхнуть посильнее. Например, рассматривался вариант подрыва ядерного устройства для регистрации гравитационных волн. Слава Богу, оказалось, что даже при взрыве ядерной бомбы мощность излучения гравитационных волн слишком мала для их регистрации.

Советский астрофизик Л.М.Озерной в 1965 г. обратил внимание на то, что специально подрывать ничего не надо, потому что во Вселенной постоянно что-то подрывается. Самыми мощными и довольно частыми (раз в несколько десятков лет) являюся взрывы сверхновых звезд. При взрыве сверхновой выделяется до 10 процентов полной энергии звезды, то есть порядка:

Коллапс продолжается тысячную долю секунды и, следовательно, характерная частота гравитационной волны должна быть порядка 1000 Герц.

Однако, взрыв должен быть несимметричным, иначе формула Эйнштейна не сработает. К сожалению, до сих пор ничего не было известно о том, насколько взрыв сверхновой звезды может быть ассиметричным. Тем не менее, гравитационные детекторы строились в расчете именно на сверхновые. Давайте оценим, какова может быть амплитуда гравитационной волны, рожденной в нашей Галактике. Это можно легко сделать, воспользовавшись законом сохранения энергии, уносимой гравитационной волной, и тем фактом, что поток энегии пропорционален квадрату амплитуды волны:

Следовательно, около Земли амплитуда волны будет:

где -- размер коллапсируюшего тела, R -- расстояние до источника, а -- амплитуда волны вблизи источника. Последняя величина полностью определяется коэффициентом конвертации полной энергии в гавитационные волны:

Если коллапс сопровождается образованием черной дыры или нейтронной звезды, размер которых практически равен гравитационному радиусу:

то получаем ожидаемую амплитуду вблизи детекотра:

В последей формуле принята астрономическая система единиц. m -- масса в единицах масс Солнца, а расстояние d -- в килопарсеках. Например, если взрыв происходит в центре нашей Галактики, до которого примерно 10 килопарсек, при конвертации ожидаемая амплитуда оказывается равной , что вполне доступно современным твердотельным детекторам типа "Нептун". Но реальная эффективность излучения гравитационных волн может быть в миллионы раз ниже, и тогда даже строящиеся детекторы будут бессильны. Не в этом ли причина их молчания?

  
Figure 1.: Гравитационно-волновое небо ожидаемое для сверхновых звезд. Количество "объектов" уменьшается с ростом амплитуды сигнала. Эта карта построена в ГАИШ МГУ с учетом распределения ближайших галактик по небу (Липунов, Назин, Панченко, Постнов и Прохоров, 1996). В принципе, первые всплески от сливающихся нейтронных звезд и черных дыр должны следовать аналогичному распределнию по небу.

Идеальным источником волн пространства-времени должны быть системы двойных звезд. Если орбиты звезд круговые, то полная энергия, уносимая гравитационными волнами, определяется только расстояниями между звезд A и их массами ( , ) :

Двойная система излучает всегда! При этом частота волны равна удвоенной частоте вращения звезд. Чем ближе звезды друг к другу, -- тем выше гравитационно-волновая светимость. Следовательно, мощность излучения максимальна у наиболее компактных систем и, следовательно, у наиболее компактных звезд -- нейтронных звезд или черных дыр. Такие звезды не просто должны быть во Вселенной, но уже и наблюдаются, да так успешно, что за изучение одной из них вручена Нобелевская премия 1992 года.