[Перевод] Спросите Итана №74: гравитационные волны

Свет и звук – это известные нам волны. Но волны бывают и гравитационными.

Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
— Герман Минковский

Когда Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, она не просто потрясла основы физики, но и полностью разрушила их, чтобы построить новые. Вместо материи, существующей в точках пространства и моментах времени, она предположила, что у пространства и времени есть свои собственные измерения в четырёхмерной структуре пространства-времени, и эта структура меняется из-за присутствия и взаимодействия всей находящейся в ней материи и энергии. Её подтвердило несколько удивительных предсказаний, от гравитационного красного смещения, до изгибания звёздного света из-за присутствия материи.

Выбранный сегодня из присланных вами вопрос стал самым коротким за всю историю наших статей, и принадлежит Адаму Рабангу, который спрашивает:

Дорогой Итан,
Что, чёрт возьми, такое гравитационные волны?
Спасибо,
Адам.

Начнём с обсуждения другого типа волн, с которым вы можете быть знакомы: водных волн.

Начать можно с идеально спокойной и плоской воды. Поверхность воды остаётся спокойной и нетронутой воздействием внешних сил. Что случится, если аккуратно поместить, скажем, насекомое на поверхность?

Оно слегка деформирует поверхность, поскольку гравитационное притяжение насекомого прилагает силу к поверхности, что приводит к её искривлению. Если мы сделаем что-нибудь менее нежное, например, уроним объект с большой высоты на поверхность воды – что мы увидим?

youtu.be/QQ37RLXNAgc

Мы увидим знакомую рябь, которую мы связываем с волнами на воде. Мы побеспокоили поверхность воды, и энергия распространяется наружу с определённой скоростью, в зависимости от свойств среды (воды), по которой идёт волна.

Если мы начнём рассматривать волны света, всё останется аналогичным, хотя и станет менее интуитивным.

Свет также можно представить себе как рябь, распространяющуюся в пространстве-времени. У него есть определённая энергия, зависящая от частоты/длины волны, скорость распространения, скорость света в определённой среде, и он двигается в определённом направлении, определяемом условиями, в которых он возник, а затем следует по пути, определяемом кривизной пространства-времени.

Но как создаётся свет? Как появляется реальный фотон? Один из способов – взаимодействие частиц (или античастиц) друг с другом: существует конечная вероятность того, что две любые взаимодействующие частицы произведут хотя бы один фотон.

Ещё один, более интересный способ, происходит от эффекта, которому нет аналога в классических волнах: когда заряженная частица двигается в присутствии магнитного поля.

Да, магнитное поле заставляет частицу менять направление: это действует сила Лоренца. Но когда частица двигается в магнитном поле, она также испускает излучение в виде фотонов: циклотронное излучение на низких энергиях/скоростях/полях, или синхротронное в более релятивистских условиях.

Этот тип излучения появляется не только в экспериментах на Земле, но и в природной лаборатории Вселенной – например, в джетах гигантской, самой массивной из ближайших галактик, Messier 87.

И вот мы дошли до гравитации. У электричества есть два вида зарядов – положительный и отрицательный – а у гравитации один: масса, или, точнее, энергия. В то время, как электрические поля и магнитные поля влияют на заряженные частицы, у гравитации есть лишь один тип поля: искривление пространства.

Но с гравитацией во Вселенной ситуация та же, что и с электромагнетизмом: у нас имеются гравитационно заряженные частицы, двигающиеся в гравитационных полях.

И хотя в некоторых деталях физические законы различаются, эффект получается один и тот же: излучение. В нашем случае это не электромагнитное излучение, а гравитационное! Рябь, путешествующая со скоростью света по ткани пространства-времени, переносящая энергию.

Эффект увеличивается в случае быстро ускоряющихся масс в изменяющихся гравитационных полях, например, когда нейтронная звезда объединяется с другой, или находится на малой и уменьшающейся орбите с другим телом, оставшимся от звезды.

Гравитационные волны (или гравитационное излучение) проявляют себя через эту рябь в пространстве-времени, и она приводит ко вполне определённым искривлениям в размере и направлении любой встречающейся на пути материи и/или электромагнитного излучения.

В теории эти волны можно обнаружить напрямую через интерферометр с длинной базой, и сейчас над этими поисками работают в разных проектах, включая коллаборацию LIGO. [ровно через год после написания этой статьи LIGO обнаружил гравитационные волны – прим.перев.] Если случится чудо, запустят космическую антенну лазерных интерферометров, или LISA, которая гарантированно обнаружит этот эффект, поскольку будет искать его в том диапазоне, где должно происходить большое количество событий!

У нас уже есть непрямое свидетельство существования гравитационных волн, поскольку мы наблюдаем предсказанное уменьшение орбит пульсаров, происходящее в течение многих лет – наблюдение, совпадающее с предсказанием ОТО. С другой стороны, ОТО также предсказывает, что орбиты должны угасать из-за испускания гравитационных волн. Если бы могли обнаружить их напрямую, это стало бы подтверждением одного из последних основных предсказаний одной из величайших физических теорий.

Так что такое гравитационные волны? Это новая форма излучения – гравитационное излучение – испускаемое массивными или переносящими энергию частицами, путешествующими в гравитационных полях. Если частица ускоряется или гравитационное поле меняется, интенсивность излучения увеличивается, и с течением времени оно уносит энергию со скоростью света, в результате чего орбиты угасают, а также появляется возможность обнаружения этих волн. При правильном подходе мы можем получить новый тип астрономии – гравитационная астрономия – технология для этого уже существует!

В числе разных источников гравитационных волн находится и космическая инфляция. Недавно опубликованные коллаборацией Планка результаты накладывают ограничения на возможные типы инфляции, благодаря отсутствию её влияния на поляризацию микроволнового космического излучения, и отбрасывают целый класс инфляционных моделей – моделей хаотической инфляции.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.