Регистрация гравитационных волн



Возможность существования гравитационных волн уже непосредственно следовала из уравнений общей теории относительности, сформулированных А. Эйнштейном в 1916 г. Согласно этим уравнениям гравитационные волны, т. е. возмущения поля тяготения, вызываемые ускоренным движением масс, должны быть поперечными и распространяться со скоростью света. Однако уже давно проведенные оценки мощности, которая может излучаться ускоренно движущимися массами (такими, например, как двойные звезды), приводили к совершенно ничтожным, практически пренебрежимым величинам. Так, было вычислено, что энергия, теряемая системой из двух звезд, вращающихся друг относительно друга, не превышает одной триллионной доли их полной энергии. Громадные астрономические расстояния до наиболее вероятных источников гравитационного излучения, на много порядков ослабляющие сигнал, казалось, делали задачу его поиска абсолютно бессмысленной.
В силу этого до 1969 г. не делалось серьезных попыток регистрации гравитационных волн. Тем более сенсационными оказались сообщения доктора Джозефа Вебера из университета штата Мэриленд (США) о том, что ему удалось зарегистрировать гравитационные волны.
Приемником гравитационного излучения может быть, естественно, только достаточно массивное тело, колебания которого в меняющемся поле тяготения, обусловленном приходящей волной, и предполагается обнаружить. Вебер использовал в качестве приемников (детекторов) массивные алюминиевые цилиндры весом в одну тонну, подвешенные для уменьшения трения в вакууме и максимально изолированные от всех других внешних влияний. С помощью кварцевых тензодатчиков, прикрепленных к цилиндрам, он мог регистрировать возникающие в них колебания. Главной помехой в этих опытах, от которой необходимо было за- экранироваться, являлись сейсмические колебания Земли, приводящие к вибрации цилиндров, и тепловые движения в них. Используя далеко разнесенные детекторы (расстояние между двумя из них составляло около 1000 км) и разность в скорости распространения сейсмических и гравитационных волн, Веберу, с помощью схем совпадения и задержки импульсов, удалось сильно уменьшить влияние помех, вызванных сейсмическими явлениями и тепловыми колебаниями.
В сеансе, продолжавшемся 81 день, удалось зарегистрировать 17 случаев совпадения сигналов от двух детекторов и несколько случаев совпадения на трех и четырех детекторах. По оценкам Вебера, чисто случайные, не вызванные гравитационными волнами, совпадения на трех детекторах могли бы произойти лишь один раз за 70 млн. лет. При этом, что весьма важно, колебания регистрировались в основном тогда, когда детекторы были ориентированы на вполне определенный участок неба, т. е. их период совпал со звездными сутками.
Этот участок, соответствующий максимуму гравитационного излучения, расположен в
центральной части нашей Галактики, в районе созвездия Скорпиона. Уровень мощности зарегистрированных волн оценен в 1 мвт/см2, что представляет, по мнению большинства ученых, недопустимо большую величину.
Скепсис многих астрофизиков по отношению к интерпретации Вебером своих результатов в первую очередь обусловлен слишком большой мощностью зарегистрированных им сигналов. Чтобы объяснить такую мощность, надо предположить, что в центре Галактики ежегодно в гравитационное излучение переходит масса, равная ста тысячам солнечных масс. Для оправдания такой мощности генерации гравитационных волн за истекший год было предложено несколько довольно экстравагантных механизмов.
Например, были проведены расчеты, показывающие, что объяснить данные Вебера невозможно даже таким механизмом, как столкновения звезд в каком-то плотном скоплении в ядре Галактики. Количество звезд в таком скоплении и необходимая частота их столкновений приводят, согласно этим расчетам, к тому, что время жизни скопления оказывается равным всего нескольким часам. Звезды скопления испытывают необратимый коллапс, и все скопление превращается в «черную яму».
Имеются попытки представить гравитационные волны столь высокой интенсивности, как свидетельство столкновения «черных ям». Ввиду чрезвычайно высокой плотности этих гипотетических тел и, следовательно, весьма высоких значений гравитационного поля, их столкновения действительно должны быть мощным источником гравитационных волн.
Однако гипотезы подобного рода требуют ряда дополнительных предположений, трудно согласующихся с современной картиной мира. В частности, согласно одной из таких гипотез лишь 2% вещества во Вселенной находится в несколлапсированном состоянии, а остальное — либо в стадии коллапса, т. е. абсолютно, за исключением гравитационного взаимодействия, «отключено» от окружающего мира, либо в форме гравитационных волн.
Естественно, все эти теоретические построения не могут вызывать слишком серьезного внимания до тех пор, пока не будет со всей достоверностью подтверждена справедливость выводов Вебера.
В настоящее время ученые ряда стран собираются повторить и усовершенствовать его эксперименты, так что окончательный ответ на вопрос о возможности регистрации гравитационных волн на Земле может быть дан не ранее чем результаты Вебера будут подтверждены другими исследователями. Положительный ответ, по-видимому, будет означать необходимость серьезного пересмотра наших представлений об устройстве Вселенной.