В поисках гравитационных волн

Гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном 85 лет назад, давно не оставляют в покое астрофизиков. Их существование является практически последним напрямую недоказанным элементом Общей теории относительности (ОТО).

Величие Эйнштейна заключается в том, что он в корне изменил наше представление о времени, пространстве и материи, прочно связав их. Первые два превратились в одно пространство-время, а материя стала определяющим фактором для его характеристик в каком-либо конкретном месте Вселенной. Оказалось, что массивные небесные тела, как, например, звезды искривляют пространство-время вокруг себя. Эта искривленность и притягивает планеты и другие "легкие" тела к звездам.

Согласно ОТО, любая движущаяся масса должна производить гравитационные волны. Правда, в отличие, скажем, от света, который распространяется по Вселенной, гравитационные волны сжимают и растягивают само пространство-время. Их величина зависит от массы тела и расстояния до него. Ученые утверждают, что, например, при столкновении двух сверхмассивных черных дыр гравитационные волны вблизи такой гипотетической катастрофы могут за одну миллисекунду вдвое растянуть человека, а затем тут же вдвое сжать его. И так многократно. К счастью, такое невозможно вблизи Земли, и все доходящие до нас гравитационные волны не более чем помехи на субатомном уровне.

Несмотря на то, что наблюдения за движением массивных звезд косвенно подтверждают существование гравитационных волн, их прямая регистрация окончательно сняла бы все сомнения. На данный момент в мире существуют четыре больших эксперимента, пытающиеся "прощупать" неуловимые волны.

Британо-германский эксперимент GEO600 под Ганновером находится в стадии инженерного монтажа и приступит к первым измерениям в декабре этого года. Его задача состоит в том, чтобы зафиксировать с помощью лазерного интерферометра колебания в расстоянии между двумя зеркалами, которые теоретически могут быть вызваны гравитационной волной. Для того чтобы эксперимент удался, необходима точность в измерении расстояния в 10^-18м. Эта точность настолько велика, что любые самые незначительные помехи могут пустить все усилия ученых насмарку. Для того чтобы сократить до минимума возможные помехи, им пришлось отказаться от металлических проводов, которые могли вызвать случайные тепловые воздействия, заменив их кремневыми.

Примерно в то же время стартует конкурирующий американский эксперимент - гигантский 4-киллометровый LIGO, который создавался с американским размахом и стоил 300 миллионов долларов. Как и в GEO, в LIGO используется лазерный интерферометр для регистрации гравитационных волн. Четырехкилометровые "руки" интерферометра, образующие прямой угол, имеют на концах четыре зеркала. Лезерный источник со светоделительной пластиной установлен в месте стыка двух "рук". Свет, разделенный таким образом на два пучка, будет путешествовать по двум каналам, многократно отражаясь до тех пор, пока не вернется обратно к источнику. Если длина двух "рук" одинакова, весь испущенный свет вернется обратно в полном объеме. Если же пришедшая гравитационная волна спровоцирует пространственно-временную рябь, то часть света отклонится от траектории и попадет в фотодетекторы, расположенные рядом с источником.

В Японии участники эксперимента ТАМА300 уже получили первые оценочные результаты. Японцы используют в своем эксперименте так называемую гравитационную антенну - 300-метровую балку, погруженную в сосуд, охлажденный до температуры близкой к абсолютному нулю. При проходе гравитационной волны балка должна испытать сокращения и растяжения. Максимальная точность измерений, которой добились японцы, лишь 10^-16 м.

Еще один французско-итальянский эксперимент Virgo находится в стадии разработки. Его установки разместятся под итальянским городом Пиза. "Вирго" использует уже знакомый нам интерферометр с перпендикулярными "руками" длиной в 3 км каждая. Многократное отражение света с помощью зеркал, установленных по углам L-образной структуры, увеличивает оптическую длину каждой "руки" до 120 км. Зеркала имеют высочайшее качество поверхности и соответствующую отражательную способность (более 99,999 %). "Вирго" имеет также специальную защиту от сейсмических помех. Пучок света будет путешествовать в глубоком вакууме. Таким образом, "Вирго" будет представлять собой самую крупную вакуумную камеру в мире.

Если ученым удастся поймать гравитационные волны, то огромный импульс получат теории, объясняющие процессы, происходящие в сверхновых звездах и черных дырах. Возможно, это позволит яснее выстроить теорию "Большого взрыва", а также подтвердить или поставить под сомнение ОТО. Что касается последней, то здесь есть своя интрига. Дело в том, что скорость распространения гравитационных волн должна быть равной скорости света. В противном случае ученые должны будут объяснить, почему и как этот факт стыкуется с существующими на данный момент представлениями о физических процессах, наблюдаемых во Вселенной.

перейти к началу страницы