13. Детекторы гравитационного излучения

13.1. Введение

Общая теория относительности Эйнштейна [10] предсказывает, что массы, совершающие ускоренное движение, излучают гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Согласно теории, гравитационное поле в любой точке описывается тензором, поэтому потенциал задается десятью числами. (Существуют теории, альтернативные тензорной, например теория Бранса — Дике [5], являющаяся модификацией теории Эйнштейна. Она предсказывает существование смешанного скалярно-тензорного излучения. Однако, поскольку в настоящей главе обсуждаются вопросы детектирования гравитационных волн, различие между типами гравитационного излучения является несущественным.) В отличие от электромагнитных волн, которые генерируются дипольными источниками, наинизшим массовым мультиполем, который может генерировать гравитационное излучение, является квадруполь. Излучение представляет собой распространяющееся изменение кривизны пространства — времени. Генерируемое высокоэнергетическими космическими источниками, подобно волнам на поверхности моря, оно движется во Вселенной. Источниками гравитационного излучения могут являться коллапсы звезд, рождение сверхновых, пульсары, соударения черных дыр и быстро вращающиеся двойные звезды.

Периодические решения уравнений гравитационного поля были получены Эйнштейном в 1915 г. Они представляют собой теоретическое доказательство существования гравитационного излучения. В то время даже не ставился вопрос о том, чтобы попытаться детектировать гравитационное излучение и, таким образом, проверить теорию, потому что не существовало способа провести чрезвычайно сложный эксперимент и обеспечить чувствительность, достаточную для регистрации предельно малых потоков энергии, предсказываемых теорией. Только в 1958 г. были предприняты первые попытки создать детектор гравитационного излучения. Первооткрывателем в этой области стал Джозеф Вебер, сконструировавший антенну для регистрации гравитационных волн, которую сейчас называют «веберовской болванкой». Вебер приложил много усилий, чтобы изолировать свои детекторы от воздействия паразитных акустических,

электромагнитных и сейсмических сигналов, кроме того, он применил метод регистрации совпадений на двух детекторах, причем один находился в университете Мэриленда, другой — в Аргоннской национальной лаборатории близ Чикаго, оба были удалены друг от друга на расстояние Это было сделано для того, чтобы минимизировать влияние локальных шумов на каждый детектор. Через десять лет после начала своих исследований Вебер опубликовал серию статей, в которых он доложил об одновременном наблюдении импульсных сигналов на обоих детекторах [26, 27]. Он приписал их воздействию гравитационного излучения, генерируемого внеземным источником. Он также обнаружил, что частота появления импульсов изменяется в зависимости от времени суток. В течение нескольких месяцев он регистрировал частоту появления событий в зависимости от звездного времени (это время измеряется относительно неподвижных звезд и отличается от солнечного примерно на 4 мин в день) и обнаружил пики с -часовым интервалом. Наличие таких пиков можно объяснить, учитывая направленность отклика детектора. Он максимален, когда сигнал приходит со стороны боковой поверхности детектора, и минимален, когда сигнал приходит в аксиальном направлении. Поскольку детекторы (их оси в экспериментах Вебера были ориентированы в направлении запад — восток) вращаются вместе с Землей, которая прозрачна для гравитационного излучения, -часовая периодичность в их откликах могла бы возникнуть, если бы существовало выделенное направление прихода излучения. Согласно Веберу, он наблюдал сигналы, приходящие из центра Галактики или, возможно, из противоположного направления, в котором, кстати, расположена Крабовидная туманность.

Энергия сигналов, о которых сообщал Вебер, значительно превышала тот уровень, который можно было ожидать согласно теоретическим оценкам. Многие физики считали, что он вообще не должен был ничего наблюдать. Если предположить, что источники излучения находятся в центре Галактики, то сигналы его детекторов соответствовали таким потокам энергии, которые могли бы генерироваться источниками с необычайно высокой энергией и в которых масса превращается в гравитационное излучение с невероятно большой эффективностью. Как показали оценки [17], каждый веберовский импульс требовал превращения в излучение около тридцати солнечных масс. Это можно было объяснить столкновением двух черных дыр. Такой механизм подходит для объяснения одного импульса, однако величина конверсии массы в излучение, необходимая для объяснения всей совокупности веберовских всплесков, настолько велика, что вся масса галактического центра должна была бы излучиться за время, составляющее 1/1000 возраста Вселенной. Такой

вывод приводит к очевидным трудностям. Их можно обойти, предположив, что мы живем в привилегированное время, когда галактический центр необычайно активен в смысле генерации гравитационного излучения или что Земля находится в привилегированном пространственном расположении близко к локальному источнику гравитационного излучения. Существует мало убедительных доказательств в пользу любой из этих гипотез.

Утверждения Вебера вызвали значительный интерес как среди теоретиков, так и экспериментаторов. Они заставили около десяти научных групп во всем мире начать поиск гравитационного излучения с целью подтверждения наблюдений Вебера. Независимая проверка не подтвердила его результаты, и даже теперь, спустя более чем десятилетие, веберовские сигналы остается необъясненными. Но какова бы ни была их природа, общепризнано, что они обусловлены не гравитационным излучением. Тем не менее важно подчеркнуть, что основополагающие работы Вебера открыли новую область исследований в астрономии, и, как результат, в настоящее время созданы гораздо более чувствительные детекторы гравитационных волн, чем первая веберовская антенна. Чувствительность этих новых детекторов приближается к той, которая необходима, чтобы обнаружить сигналы, уровень которых следует из теоретических оценок. Таким образом, вполне возможно, что в недалеком будущем гравитационное излучение будет зафиксировано вполне однозначно, подтвердив таким образом предсказание Эйнштейна.