[Перевод] Спросите Итана: с какой скоростью перемещаются гравитационные волны?

Одно из самых неожиданных предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна – существование не только материи, излучения и других форм энергии, основанных на частицах, но также существование и самого по себе гравитационного излучения, фундаментальной «ряби» на ткани пространства-времени. Это одна из самых сложных для понимания концепций, и наш читатель хочет узнать больше на эту тему:

Гравитационные волны – это возмущения пространства-времени, путешествующие со скоростью с. Однако пространство-время может расширяться и сокращаться быстрее с. Но расширение, за которым следует сокращение, это, по сути, и есть определение компрессионной волны. Получается вроде бы парадокс: гравитационные волны перемещаются со скоростью с, но для них вроде бы существует возможность сверхсветового перемещения. Как его разрешить?

Для начала начнём с концепции этого излучения, и как оно появляется.

В электромагнетизме, даже в классическом, есть только две вещи, необходимые для появления электромагнитного излучения: заряд и поле, через которое он двигается. Электрический заряд может быть положительным (как у протона) и отрицательным (как у электрона), и если он передвигается в магнитном поле, оно будет ускорять его, и закручивать, отправляя на циклическую или спиральную траекторию.

Чем сильнее поле, тем выше скорость, а чем больше отношение заряда к массе, тем больше и ускорение (или изменение движения).

Но в таких взаимодействиях должна сохраняться энергия и импульс, поэтому в электромагнетизме каждый раз, когда заряд ускоряется под действием внешнего поля, ему приходится испускать излучение. Оно проявляется в виде фотонов, и называется, в зависимости от способа возникновения, тормозным (нем. Bremsstrahlung), циклотронным или синхротронным излучением.

В ньютоновской физике никакого гравитационного излучения не было бы, но эйнштейновская ОТО всё меняет. У массивных источников – таких, как частицы – есть аналог гравитационного заряда, а искривлённое пространство – это аналог гравитационного поля. Каждый раз, когда массивная частица двигается в искривлённом пространстве, а оно может быть сильно искривлено рядом со звездой, белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой, она будет испускать аналог электромагнитного излучения: гравитационное излучение.

Эта новая форма излучения будет не фотоном или каким-то другим видом излучения, а гравитационной волной, распространяющейся в самой ткани пространства. Для массы порядка земной, вращающейся вокруг Солнца, гравитационное излучение оказывается так мало, что на заметное изменение орбиты должно уйти порядка 10¹⁴⁰ возрастов Вселенной. Мы этого никогда не заметим. Но для систем с более крупными массами, меньшими расстояниями и более сильными полями последствия оказываются более серьёзными: для двойных пульсаров, движения по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики или сливающихся чёрных дыр. В таких случаях можно наблюдать уменьшение орбиты, и из-за необходимости сохранения энергии мы знаем, что что-то её уносит.

Это и должно быть гравитационное излучение (оно же – гравитационные волны), и благодаря наблюдению за двойными пульсарами мы знаем, что скорость этого излучения должна равняться скорости света с точностью в 0,2%! Иначе говоря, волны двигаются сквозь пространство с той же скоростью, что и фотоны. Главное отличие в том, что в случае гравитационного излучения эти волны являются неотъемлемой частью самой ткани пространства.

Так что же происходит, если эти волны, как описано в вопросе читателя, создаются не в статичном пространстве, а в расширяющейся Вселенной? Они растягиваются и подвергаются расширению точно так же, как фотоны.

Длина волны фотона, путешествующего в расширяющейся Вселенной, растягивается вместе с расширением пространства. Концентрация и энергия этих частиц уменьшаются, и хотя они всегда распространяются со скоростью света, расстояния между источником и наблюдателем увеличиваются. К примеру, в самом начале горячего Большого взрыва, 13,8 млрд лет назад, спустя всего 10^-33 секунд после инфляции:
• Фотон, достигший нас сегодня, был бы всего в 100 метрах от нас 13,8 млрд лет назад.
• Он путешествовал бы 13,8 млрд лет, и прошёл бы 13,8 млрд световых лет по расширяющейся Вселенной, и его длина волны увеличилась бы на 28 порядков.
• Источник достигнувшего нас сегодня фотона находился бы на расстоянии в 46,1 млрд световых лет от нас.

Звучит безумно? Вот это же безумие происходит и с гравитационными волнами! Гравитационная рябь тоже должна распространяться по расширяющейся Вселенной, тоже перемещается в пространстве со скоростью света (расширяется оно или нет), и его длина волны растягивается так же, как у фотонов. Гравитационные волны «едут верхом» на ткани пространства так же, как водяные «едут верхом» по поверхности воды. Если вы уроните камень в реку, то рябь не просто будет распространяться наружу по радиусу. Она будет распространяться наружу, и одновременно её будет уносить течение реки.

Примерно так же ведёт себя и гравитационная рябь на ткани пространства: волны перемещаются с такой скоростью, с какой они всегда перемещаются в среде – со скоростью света с – но иногда движется и среда. Это не значит, что они превышают скорость света, так же, как фотоны не превышают её, когда оказываются в 46 млрд световых лет от источника, от которого они начали свой путь 13,8 млрд лет назад. Гравитационные волны ведут себя так, как должны. Аналог со сжатием и расширением действительно очень хороший. Проходящая волна искажает ткань пространства, и все вещи и частицы в ней, растягивая и сжимая их определённым образом.

Но распространяется она по Вселенной со скоростью света и с учётом того, как ведёт себя сама ткань пространства: расширяется, сжимается, или остаётся статичной. В этом и разрешение парадокса: волны путешествуют со скоростью с, вне зависимости от того, что происходит со средой, через которую они проходят!