Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

Теперь подробнее о космических источниках. Вспышки сверхновых. Итак, наиболее перспективные источники гравитационных волн должны быть компактными и иметь большие скорости движения масс, формирующих ненулевой квадрупольный момент.

Такие экстремальные физические условия могут сопутствовать рождению нейтронных звезд или черных дыр во время коллапсов ядер массивных звезд. Эту модель эволюции звезд мы вкратце рассмотрели выше. Невозможно дать надежный расчет этого процесса, хотя и можно ожидать значительной несферичности коллапса. Современная приблизительная оценка энергии, излученной в виде гравитационных волн за время коллапса, – 10 –9–10 –3 М ⊙ c 2, где М ⊙ – масса Солнца. Такой импульс от сверхновойв нашей Галактике (пусть с расстояния порядка 10 кпк) дошел бы до нас с амплитудой h ~ 10 –21. Вспышки сверхновых в нашей Галактике происходят в среднем 1 раз в 30–50 лет, поэтому вероятность зарегистрировать такое событие не очень велика.

Но чувствительность детекторов (о них будем говорить далее) возрастает, а значит и область пространства, доступная для наблюдений таких событий, тоже увеличивается, охватывая и соседние галактики. В результате вероятность регистрации событий становится все больше. Однако теоретически остается очень большая неопределенность в расчете параметров выделяемой энергии в виде гравитационных волн. Это не дает основания считать сверхновые оптимальными источниками для обнаружения гравитационных волн на современных детекторах.

Рис. 10.4. Владимир Фок

Вращающиеся нейтронные звезды. Если тело асимметрично или ось вращения не совпадает с осью симметрии, то оно излучает гравитационные волны, поскольку такая система имеет переменный квадрупольный момент. С большой вероятностью такие тела во Вселенной есть – это вращающиеся нейтронные звезды, если они деформированы. Есть различные их модели, но обычно параметры деформации предсказать сложно. При разумных предположениях излучение этого типа может иметь мощность 100–1000 кВт. Это, конечно, очень мало. Однако достаточно точно известна частота вращения таких звезд. А это дает возможность накапливать периодический сигнал в непрерывном потоке данных.

Двойные звезды. Чтобы представить пример системы с заведомо большим квадрупольным моментом, нужно, конечно, рассмотреть две звезды, вращающиеся по орбитам вокруг общего центра масс. Такой астрофизический объект называется двойной звездой.

Несмотря на некоторую экзотичность в обычном восприятии, двойных звезд в нашей Галактике не меньше половины от полного их числа, т. е. их должно быть около 100 миллиардов! Поэтому они являются самыми надежными источниками гравитационных волн в нашей Галактике. О свойствах излучения двойных звезд рассказано в предыдущем параграфе. Весь вопрос в том, насколько частота и амплитуда этих волн дают возможность обнаружить их с помощью современных детекторов.

Постоянное уменьшение энергии двойной системы за счет гравитационного излучения приводит к уменьшению орбитального периода. Если компонентом двойной системы является пульсар – вращающаяся нейтронная звезда, испускающая мощные, строго периодические радиоимпульсы, то по доплеровскому смещению частоты прихода импульсов можно точно отследить изменения орбитального периода.

Этот эффект уменьшения орбитального периода был обнаружен при многолетних наблюдениях пульсара PSR 1913+16, входящего в состав двойной системы, вторым компонентом которой является другая нейтронная звезда, не наблюдаемая как пульсар. В двойной системе из двух нейтронных звезд нет иных физических механизмов уменьшения орбитальной энергии, кроме как за счет излучения гравитационных волн. Причем темп уменьшения периода оказывается с точностью лучше 0.5 % равным значению, получаемому из квадрупольной формулы. За открытие и исследование этого пульсара американские астрофизики Джозеф Тэйлор и Рассел Халс получили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. Таким образом, в настоящее время астрономические наблюдения косвенно доказывают реальность гравитационного излучения двойными звездами, подтверждая выводы ОТО с высокой точностью. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715 и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между компонентами двойного пульсара PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 6,35 см в день.