Гравитационное излучение

ГРАВИТАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ -излучение гравитац. волн телами (массами), движущимися с переменным ускорением. ОТО - общая теория относительности (релятивистская теория тяготения), созданная А. Эйнштейном в 1916 г., предсказывает существование возмущений гравитац. поля, имеющих характер гравитац. волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света. При слабых возмущениях гравитац. поля Г. и. имеет характер поперечных волн с двумя независимыми компонентами, к-рые определяют два состояния поляризации волны. Гравитац. волны переносят энергию и импульс. Воздействуя на тела, они должны вызывать относит. смещение их частей (деформацию тел). На этом явлении основаны попытки обнаружения Г. и. Однако гравитац. волны до сих пор не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и крайне слабого взаимодействия с веществом. Мощность Г. и., к-рая может быть создана в лабораторных условиях генератором Г. и. даже при значительной его массе, весьма невелика. Напр., согласно расчётам, при собственных колебаниях кварцевого бруса объёмом в неск. м³ с макс. амплитудой, ограниченной пределом прочности кварца, генерируемая мощность Г. и. составит лишь ~10^-20 Вт. Существуют две осн. причины низкой эффективности преобразования механич. энергии в энергию Г. и. Первая состоит в малости гравитационной постоянной, к-рая входит как в ур-ния Эйнштейна, так и в закон всемирного тяготения Ньютона. Невелики и достижимые в экспериментах с макроскопич. телами ускорения (т. к. при больших ускорениях тела разрушаются). Если же использовать в качестве источников Г. и. микрообъекты - сгустки электронов или ионов, то выигрыш в величине ускорения компенсируется малостью массы и полная мощность Г. и. опять оказывается весьма незначительной. Вторая существенная причина неэффективности лабораторных излучателей заключается в том, что. в отличие от электрич. зарядов, все гравитац. заряды (массы) имеют один и тот же знак и величина гравитац. массы строго пропорциональна величине инертной массы (этот факт, положенный в основу ОТО, обычно наз. принципом эквивалентности; он многократно проверялся в различных опытах с весьма высокой степенью точности). Поэтому если в нек-рой системе массивных тел, движущихся с переменным ускорением, центр инертных масс этих тел остаётся на месте, то остаётся на месте и центр гравитац. масс. Это означает, что Г. и. одной движущейся с переменным ускорением массы будет в значит. степени компенсироваться излучением другой массы той же системы масс. Такой излучатель (и генерируемое им излучение) наз. квадрупольным. Излучение эл.-магн. волн имеет дипольный характер (поскольку существуют электрич. заряды разных знаков) и может быть интенсивным даже при колебаниях небольших зарядов.

Интенсивность Г. и., как и эл.-магн. излучения, пропорциональна квадрату заряда, т. е. в случае гравитации - квадрату массы (), в то время как полный запас энергии () пропорционален массе в первой степени. Это означает, что с ростом массы при тех же амплитудах ускорений эффективность генерации Г. и. увеличивается. Вычисления показывают, что масса при частотах колебаний, по порядку величины соответствующих движению со скоростью света с на орбите с радиусом r = r_g (где r_g - гравитационный радиус), за короткий интервал времени может потерять неск. процентов своей полной энергии () за счёт Г. и. Этот процесс будет носить характер мощного всплеска Г. и. астрофизики предполагают, что во Вселенной существуют естеств. импульсные генераторы Г. и. высокой мощности. К ним должны относиться взрывы сверхновых звёзд, столкновения нейтронных звёзд, чёрных дыр, несимметричный гравитационный коллапс звёзд. Именно на такие источники и рассчитаны наземные лабораторные гравитац. антенны, работающие или создаваемые более чем в 20 лабораториях разных стран. Обнаружение на Земле всплесков Г. и. от этих источников означало бы одновременно и появление качественно нового канала астрофизич. информации. В одной галактике можно ожидать одну астрофизич. катастрофу такого типа раз в 20-30 лет (с такой частотой в среднем происходят взрывы сверхновых в одной галактике). Поэтому, чтобы рассчитывать на регистрацию одного всплеска Г. и. в месяц, необходимо иметь достаточно чувствительные наземные гравитац. антенны, способные обнаружить всплеск в любой из галактик, находящихся на расстоянии до 3 Мпк (в сфере с таким радиусом находится ок. 300 галактик).

Гравитац. антенной может быть любая пара масс - пробных тел (или протяжённое тело) и чувствительное устройство, регистрирующее малые относит. смещения масс или вызывающие их силы. Всплеск Г. и., распространяющийся со скоростью света, несёт изменение св-в (кривизны) пространства, воздействующее на пробные тела. Амплитуда возмущений гравитац. поля, вызванных Г. и., убывает обратно пропорционально расстоянию от источника (излучателя). При расстоянии l между двумя свободными пробными телами вариации этого расстояния, вызванные всплеском Г. и. с амплитудой h, равны Dl » lh. Оптимистич. оценка для величины h в Солнечной системе в случае взрыва сверхновой на расстоянии 3 Мпк лежит в пределах (3-1)^.10^-19 (при длительности всплеска ~10^-4- 10^-3 с). Более реалистич. оценка для того же случая: h~10^-21 (выбор оценки зависит от неизвестной степени асимметрии взрыва сверхновой).

Наиболее перспективными считают два типа наземных гравитац. антенн. В первом типе вместо относит. смещений двух пробных масс фиксируют низкочастотные механич. колебания массивного цилиндра длиной »1-3 м, вызванные Г. и.

Во втором типе используются две свободные массы, разнесённые на расстояние ~10³-10⁴ м, и лазерный интерферометр для регистрации малых изменений этого расстояния (Dl) под действием Г. и.

При ориентации на оптимистич. прогноз чувствительность датчиков для первого типа антенн должна быть не хуже Dl » (2-3)^.10^-17 см, а для второго типа - не хуже Dl » (2-3)^.10^-14 см.

Тепловые колебания антенн создают помехи приёму Г. и. Для снижения уровня помех темп-ру антенн первого типа понижают до Т < 2К, увеличивают массу антенны (до неск. тонн), а также её механич. добротность (уменьшают затухание колебаний). Можно ожидать, что в ближайшие годы несколько антенн разных типов будут синхронно (в режиме совпадений) регистрировать возможные редкие всплески Г. и. с h ~ 1 ^.10^-19.

Следует отметить, что недавно было получено косвенное подтверждение существования Г. и. Долголетние наблюдения за двойной звездой, один компонент к-рой - пульсар PSR 1913+16, а другой, по-видимому, также нейтронная звезда, показали, что период обращения компонентов вокруг общего центра массы монотонно сокращается. Это сокращение периода означает сближение компонентов, к-рое, возможно, вызвано потерей энергии на Г. и. Численные оценки изменения периода, вызванного Г. и., удовлетворительно согласуются с известными данными о вращении этой тесной пары нейтронных звёзд.

Лит.: Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж., Гравитация, т. 1-3, пер. с англ., М., 1977; Брагинский В. Б.„ Манукин А. Б., Измерение малых сил в физических экспериментах, М., 1974; Вайсберг Дж., Тейлор Дж., Фаулер Л., Гравитационные волны от пульсара в двойной системе, пер. с англ., "УФН", 1982, т. 137, в. 4, с. 707.

(В.Б. Брагинский)