Гравитационные волны: что же это?
Как мы уже выяснили, самая популярная у физиков теория образования пространства-времени предполагает, что в первые мгновения (до 10—35секунды) после Большого Взрыва Вселенная расширялась ускоренно с колоссальной скоростью. Этот процесс породил гравитационные волны — «складки» пространства-времени (их можно сравнить с выступающими трехмерными складками на двумерной простыне, только у Вселенной, естественно, больше измерений). Взмахните рукой — и по всей Вселенной побегут гравитационные волны. Они расходятся почти от любого движущегося предмета — выстрелявшей из лука стрелы, едущего на велосипеде человека, летящего детского вертолетика. Но эти колебания настолько ничтожны, что зарегистрировать их сегодня не представляется возможным. Все дело в слабости гравитационного взаимодействия — оно примерно на 40 порядков уступает электрическому. Чтобы создать достаточно сильную для регистрации гравитационную волну, нужно заставить двигаться с околосветовыми скоростями очень большие массы, сравнимые с массой звезд — вот такой «звук» смогут уловить специальные «уши»-детекторы.
Звезды могут испускать гравитационные волны двумя способами: при несимметричных пульсациях и при обращении двух звезд вокруг общего центра под действием взаимного тяготения. Еще более мощными источниками этих волн являются двойные черные дыры — они компактнее, а их массы гораздо больше масс нейтронных звезд. Источником гравитационных волн могут быть и быстровращающиеся одиночные нейтронные звезды. Но самым интересным источником гравитационного излучения являются космологические процессы. Сразу после «рождения» Вселенной плотность и температура вещества были фантастически велики, а двигалось оно с околосветовыми (или даже сверхзвуковыми) скоростями, интенсивно испуская гравитационные волны. Если зарегистрировать реликтовые (первичные) гравитационные волны, мы увидим, как рождалась наша Вселенная, узнаем, пережила ли она стадию инфляции (ускоренного расширения) и как она протекала.
В общей теории относительности Эйнштейна пространство «чувствует» присутствие массивных тел и искривляется в их окрестностях. Движение самих тел напоминает хождение по батуту: упругая поверхность прогибается сильнее всего в том месте, куда мы ставим ногу, при дальнейшем продвижении поверхность распрямляется. Быстрые перемещения массивных тел порождают волны пространства, которые, преодолев тысячи, миллионы, миллиарды световых лет, вызывают едва-едва уловимые колебания предметов на Земле. Возьмем покоящееся массивное тело, быстро переместим на некоторое расстояние в сторону. Пока тело покоилось, все объекты во Вселенной ощущали направленную к нему силу притяжения. При сдвиге направления сил меняются, но другие тела «почувствуют» это не сразу: любое возмущение распространяется не быстрее света в вакууме. Чем дальше находятся эти тела, тем больше нужно времени. Вернем массивное тело в исходное положение — вдогонку первому возмущению побежит второе, возвращающее все на свои места.
Получается, что далекие тела еще не почувствовали изменений, для близких все уже вернулось в первоначальное состояние, и только в узкой области поле тяготения отличается от исходного. Эта область представляет собой сферический слой, удаляющийся от нашего источника тяготения со скоростью света. Причем возмущения в этом слое — свободные. Что бы мы ни делали с телом-источником, невозможно повлиять на ушедшее от него возмущение гравитационного поля. По сути, это и есть гравитационная волна.
Вселенная совершенно прозрачна для волн гравитации. Они могли бы стать идеальным средством ее исследования, поскольку совершенно не взаимодействуют с веществом по дороге. Но по этой же причине они практически неуловимы. И все же за 40 лет безрезультатной пока охоты ученые придумали методы, которые позволяют надеяться на успех в течение ближайшего десятилетия.