Гравитационные волны

На рисунке изображена плоскость последнего рассеяния (сплошная линия), от которой фотоны движутся к радиотелескопу (в центре круга). Температура этой поверхности является постоянной. Пунктирная линия представляет слабые неоднородности температуры на поверхности последнего рассеяния, созданные гравитационными волнами с длиной порядка расстояния от наблюдателя до поверхности последнего рассеяния. рассеяния (объяснение термина «поверхность последнего рассеяния» см. ниже). Правда, в отличие от других способов детектирования гравитационных волн, здесь мы не можем наблюдать переменности сигнала во времени -- слишком уж длительный период. Но мы можем наблюдать «застывшую» картинку на небесной сфере.

Кроме того, в этом случае мы не знаем, когда вышел фотон, мы не можем измерять его задержку или сдвиг фазы излучения. Но мы можем измерять производную от фазы по времени -- частоту фотонов. Сравнивая частоты фотонов, идущих с разных направлений, можно зарегистрировать гравитационные волны. Обсудим, как космологи сейчас пытаются детектировать космологические гравитационные волны.

Мы живем в расширяющейся Вселенной. Кинетические и динамические параметры расширения характеризуются масштабным фактором и его зависимостью от времени. Масштабный фактор - это функция, зависящая только от времени и показывающая как изменяется расстояние между двумя пробными частицами во Вселенной во время ее расширения.

В прошлом, когда масштабный фактор был примерно в тысячу раз меньше, расстояние между пробными частицами были в тысячу раз меньше, а вещество было в миллиард раз плотнее, во Вселенной была высокотемпературная плазма, состоящая из электронов, протонов, массивных слабовзаимодействующих частиц и фотонов. Количество фотонов было гораздо больше, чем количество частиц другого сорта в несколько миллиардов раз, и именно поэтому Вселенная называется "горячей". При расширении температура падает и Вселенная остывает. Темп расширения значительно более медленный, чем характерное время установления равновесия в горячей плазме, поэтому частицы в ней находятся в термодинамическом равновесии. Одной из таких частиц является фотон. В вакууме фотон распространяется со скоростью света, не изменяя своей частоты, в горячей плотной плазме из-за рассеяния на электронах фотоны меняют частоту и «забывают» первоначальную информацию.

Когда Вселенная расширяется настолько, что плазма остывает до температуры рекомбинации, то электроны начинают соединяться с протонами, образуя нейтральный водород, а фотоны, которые были в этом месте, начинают распространяться практически свободно. Фотон одна из частиц, которая была в плазме, и именно эти фотоны являются реликтовыми.

На рис.5 показано как движутся фотоны. В центре рисунка находится наблюдатель. Естественно, фотоны, вышедшие из места, нарисованного сплошной линией, идут во всех направлениях. Мы видим не все фотоны, а только те, которые дойдут до нас. Точки, из которых фотоны доходят до наблюдателя, образуют так называемую поверхность последнего рассеяния (она то и изображена сплошной линией). Это единственный источник во Вселенной, внутри которого мы находимся. Мы видим реликтовые фотоны со всех направлений. В момент рекомбинации температура этой поверхности равна примерно 3 000 K. Ее температура в современный момент времени 3 K. Это уменьшение температуры произошло из-за расширения Вселенной, из-за эффекта Доплера.

Надо сказать, что реликтовые фотоны обладают уникальным свойством. Температура по поверхности последнего рассеяния почти постоянна. Космологи называют это свойство изотропией. Температура изотропна с точностью до 3 милликельвин. Анизотропия -- это разница температуры в разных направлениях на небе. Измерим телескопом яркость реликтового излучения в каком -- либо направлении на небе, повернем его на 180 и увидим, что температура изменилась примерно на 3 милликельвина. Это происходит из-за того, что Земля, солнечная система, наша Галактика двигаются сквозь реликтовое излучение с некоторой скоростью - это, так называемый, кинетический член в анизотропии реликтового излучения, который отвечает за дипольную анизотропию. Поэтому по ходу движения температура чуть выше, сзади температура несколько ниже.

Помимо кинетического члена есть и потенциальные члены в анизотропии реликтового излучения, которые обязаны своему происхождению гравитационным полям очень больших масштабов. Масштаб переменности этих полей сравним с расстоянием до поверхности последнего рассеяния.

Во Вселенной должны существовать гравитационные волны с длиной, значительно превышающей расстояние до сферы последнего рассеяния. Давайте рассмотрим, как приливное гравитационное поле такой волны влияет на состояние реликтовых фотонов. Фотоны движутся с поверхности последнего рассеяния до наблюдателя. Как и в лазерном интерферометре появляется два свободных тела -- источник фотонов (кусочек поверхности) и наблюдатель, который принимает эти микроволновые фотоны. Распределение потенциала в приливном поле имеет характерную седлообразную форму. Рассмотрим два направления, по которым гравитационный потенциал меняется наиболее сильно. Первое направление - изменение потенциала от минимального до экстремального значения (которое приходится на седлообразную точку) и вновь уменьшение его до минимального значения. Второе направление выберем так, чтобы потенциал менялся от максимального до экстремального значения, а затем вновь возрастал до максимального значения. Для седлообразной поверхности эти два направления перпендикулярны друг другу. Седлообразная точка является точкой экстремума и совпадает с положением наблюдателя. Фотоны двигаются с поверхности последнего рассеяния к наблюдателю. Когда они двигаются вдоль первого направления, т.е. по потенциалу вверх, они теряют энергию и становятся более красными, когда они "скользят" по потенциалу вниз, они приобретают энергию и становятся голубыми. Для одного фотона меняется частота, для ансамбля реликтовых фотонов меняется температура. Возникает следующая картина: в направлении на минимум потенциала наблюдается понижение температуры, в других направлениях, наблюдается повышение температуры. Возникает характерная квадрупольная компонента в угловом распределении температуры по небесной сфере или, как говорят космологи, возникает квадрупольная флуктуация температуры. Период угловой зависимости составляет . Для гравитационных волн с длиной несколько меньшей расстояния до сферы последнего рассеяния, угловой период уже меньше . Гравитационные волны нескольких частот уже формируют причудливый "муар" на сфере последнего рассеяния.

Амплитуда температурной флуктуации в зависимости от амплитуды гравитационной волны составляет

На рис. 5 пунктирной линией показано искажение температуры реликтового излучения в присутствии приливного поля, созданного гравитационными волнами с различными периодами, которые несколько меньше возраста нашей Вселенной.

Прежде чем перейти к описанию экспериментов, надо сказать, что во Вселенной существуют не только гравитационные волны, но и гравитационные поля, связанные с контрастом плотности вещества. Амплитуда этих полей значительно больше, чем гравитационных волн. Поле, связанное с контрастом плотности, также будет вызывать анизотропию. Точнее, анизотропия, вызванная неоднородной плотностью вещества во Вселенной и анизотропия, вызванная гравитационными волнами, складываются. Наблюдая только анизотропию выделить вклад гравитационных волн в эту сумму невозможно.

К счастью, излучение характеризуется не только интенсивностью, но и поляризацией. Поляризация характеризуется тремя параметрами Стокса. Надо сказать, что поле, вызванное неоднородным распределением вещества во Вселенной, и поле гравитационных волн вызывают только линейную поляризацию реликтового излучения. Различие возникает, когда мы рассматриваем четность поляризации. Гравитационное поле, связанное с неоднородным распределением вещества, создает только, так называемую, E моду поляризации. Картинка распределения поляризации E моды в какой - либо небольшой части небесной сферы является симметричной относительно отражения в зеркале или, как говорят математики, инвариантной при преобразованиях четности. Гравитационные волны создают как E моду поляризации, так и B моду поляризации реликтового излучения. B мода является неинвариантной при преобразованиях четности [14]. На этом математическом принципе основан способ, который позволяет измерить количество космологических гравитационных волн.

Анизотропия реликтового излучения была обнаружена в 1992 году в результате работы спутника "Реликт". В январе 1992 года группа, в которую входили сотрудники ИКИ АН СССР Струков И.А., Скулачев Д.П., Брюханов А.В. и сотрудник ГАИШ МГУ Сажин М.В., на семинаре в астрономическом институте (ГАИШ МГУ) объявила, что зарегистрирована анизотропия реликтового излучения, хотя отношение сигнала к шуму в этом эксперименте было небольшое -- порядка трех. Мы опубликовали статью в "Письмах в Астрономический Журнал" и послали в "MNRAS" журнал Королевского астрономического общества (Великобритания), где она также была опубликована через несколько месяцев.

К тому времени на орбите работал американский спутник "COBE" (аббревиатура английских слов "COsmic Background Explorer"). Это был аппарат, аналогичный спутнику "Реликт", только более совершенный. Он имел три частотных канала, в каждом из каналов было два радиометра. Вскоре после нашей статьи, была опубликована статья группы COBE, где были изложены результаты работы спутника и объявлено о детектировании анизотропии реликтового излучения.

Три частотных канала позволили группе COBE уверенно выделить анизотропию на поверхности последнего рассеяния от анизотропии галактического и внегалактического радиоизлучения. Этот факт, а также большее отношение сигнал/шум после завершения эксперимента (COBE работал на орбите свыше 4 лет), позволяет американским исследователем связывать открытие анизотропии реликтового излучения с результатами аппарата COBE.

После первых успешных экспериментов по наблюдению анизотропии реликтового излучения, космологи неоднократно проводили такие наблюдения и изучали анизотропию.

Однако, качественно новые результаты были получены в течение последних пяти лет. Эта новая информация об анизотропии была получена в результате проведения экспериментов «Бумеранг», «Археопс» и, наконец, WMAP. Результаты последнего эксперимента, WMAP, были опубликованы в начале 2003 года

Здесь изображено положение спутника WMAP в точке L2, а также Земли, Луны и Солнца.

Карта анизотропии реликтового излучения. Небесная сфера представлена в проекции Аитова-Гаммера. Синий цвет показывает понижение температуры по сравнению со средней температурой. Красный цвет означает повышение температуры. Средняя дисперсия температуры по карте составляет примерно 100 микрокельвин. Название спутника WMAP представляет собой аббревиатуру "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe". Вначале этот спутник назывался "MAP". Теперь его название изменилось. Знаменитый американский ученый Дэвид Вилкинсон, который был одним из авторов проекта "MAP", умер в сентябре 2002 года, его ученики и соавторы решили назвать спутник в его честь.

Спутник представляет из себя аппарат весом 830 кг. Он был запущен в 2001 году и выведен в точку L2, которая находится на расстоянии 1.5 млн. км от Земли в стороне, противоположной Солнцу. Время жизни спутника в рабочей точке предполагается не менее двух лет, три дополнительных месяца предназначены для вывода спутника в расчетную точку. На рис. 6 художник представил положение спутника в точке L2.

В результате работы спутника была получена карта яркости сферы последнего рассеяния. Это карта представлена на рис.7. Пятна различного цвета представляют различие в температуре этой поверхности. Как видно из рисунка, наблюдаемую картину сформировали волны гравитационного поля различной длины. Самая большая длина превышает десять миллиардов световых лет, самая короткая волна составляет сотни миллионов световых лет. Естественно, что изменение этой картины во времени требует наблюдений в течение сотен миллионов лет. Наблюдать это невозможно, поэтому вместо временных изменений космологи наблюдают угловые изменения.

Здесь надо сказать, что анизотропия реликтового излучения вызвана гравитационным полем, связанным с неоднородным распределением вещества во Вселенной. Это доказано наблюдениями поляризации со спутника WMAP. Космологические гравитационные волны пока не обнаружены. Теоретические оценки показывают, что для наблюдения гравитационных волн необходимо повысить чувствительность приборов, по крайней мере, на порядок. Космологи -- экспериментаторы сейчас работают над этой проблемой.

Заключение

Из статьи может создаться впечатление о чрезвычайной трудности проблемы детектирования гравитационных волн. И это правильное впечатление. Может быть, не стоит решать эту проблему вообще? Ведь так много проблем вокруг!

Поэтому необходимо сказать несколько слов о том, почему физики прилагают много усилий для детектирования гравитационных волн.

Методы физических исследований менялись на протяжении веков. Современная физика родилась в эпоху Возрождения, когда Галилео Галилей установил метод экспериментального исследования физических явлений. Со временем физики проникали все дальше вглубь вещества. Для проникновения вглубь вещества для изучения молекул, а затем и атомов понадобились физические приборы с большим значением энергии на частицу. Переход к меньшим масштабам требовал все большей энергии частиц, с помощью которых исследовались эти масштабы. В прошлом столетии физики изобрели ускорители элементарных частиц. С их помощью была исследована структура атома и атомного ядра, а также структура физических взаимодействий на более мелких масштабах. Повышая энергии частиц, физики дошли до технологического предела мощности. Сейчас готовится эксперимент LHC в ЦЕРНЕ, во всемирной ядерной лаборатории. В ускорителе этого эксперимента протоны будут «разогнаны» до энергий 10 000 ГэВ, в 10 000 раз больше чем энергия покоя самого протона. Но вот построить ускоритель на энергии, которые значительно больше этой современные технологические возможности пока не позволяют.

Так что же, это означает конец экспериментального метода исследования физических взаимодействий? Ответ простой -- нет, не означает. Просто меняются инструменты исследований. Теперь таким инструментом станет гравитационно-волновая астрономия.

Исследование всплесков из космоса на обсерватории LIGO позволит изучать не только внутреннюю структуру нейтронных звезд, но и структуру пространства -- времени вблизи горизонта черной дыры. Этот вид исследований невозможно проводить в лабораторных условиях в принципе. Сейчас не видно других физических методов исследований, которые позволили бы изучать эти свойства.

Уже сейчас, основываясь на данных анизотропии, можно сделать некоторые предварительные выводы о структуре взаимодействий в области энергий ГэВ. Несмотря на то, что космологические гравитационные волны не зарегистрированы, одно весьма важное заключение можно сделать уже сейчас -- теория инфляции во Вселенной является в общих чертах правильной. Во Вселенной был режим доминирования скалярного поля! Это первые экспериментальные данные, относящиеся к физике взаимодействий вблизи планковских масштабов энергий.

Первые физические данные были получены об энергетических масштабах порядка 0.1 эВ. Это были данные о химических реакциях в веществе. Экспериментально -- лабораторные исследования, а затем и технологическое освоение энергий порядка 1 КэВ -- 1 МэВ, открыли атомный век с его технологией и, вообще говоря, с присущими ему недостатками. Это было продвижение «всего лишь» в миллион раз по шкале энергий. Что же может сулить человечеству продвижение.

Средневековый путешественник добрался до края Земли, просунул голову сквозь небесную твердь и наблюдает движение планет. Именно так средневековые астрономы представляли устройство нашей Солнечной системы миллиарды и миллиарды раз по шкале энергий? Об этом сейчас можно только гадать [16].

Обнаружение космологических гравитационных волн позволит нам «заглянуть» в раннюю Вселенную, позволит нам изучать физику при таких энергиях, о которых физики на Земле могут только мечтать.

Стоит в заключение вновь подчеркнуть, что гравитационные волны прямо пока еще не открыты. В каждом из частотных диапазонов существуют пока только верхние пределы на мощность излучения или на амплитуду гравитационных волн. Тем не менее, гравитационные волны в течение ближайших 5-7 лет будут открыты, сомнений в этом у экспертов нет.

В этой статье мы нарисовали общую картину результатов, ожидаемых от гравитационно-волновой астрономии. Мы также обсудили типы детекторов гравитационных волн, некоторые из которых уже работают, другие будут реализованы в ближайшем будущем. Конечно, картина ожидаемых открытий, которую мы набросали, может быть далека от реальности, как любил повторять знаменитый советский физик академик Я.Б.Зельдович: «Полна чудес могучая природа». Для иллюстрации загадок природы и неопределенности теоретического знания, мы помещаем знаменитую картинку, приведенную К.Фламмарионом в одной из своих книг по астрономии (рис. 8). Эта картинка пришла к нам из средних веков. На ней изображен путешественник, который добрался до края Земли, выглянул за небесную твердь и наблюдает движение предвечных звезд. Так изображали себе мироздание средневековые люди. Изобретение телескопа очень сильно изменило эту картину. Не исключено, что современная картина «Большого Взрыва» также претерпит существенные изменения, когда в астрономии появиться новое окно во Вселенную -- гравитационно-волновая астрономия.

Литература

1. A. Einstein, Sitzber. Preuss. Akad. Wiss. 1, 154, (1918).

K.S. Thorn, In 300 years of Gravitation (eds. S.W. Hawking, W. Israel), Cambridge Univ. Press, (1987).

В.А. Фок, Теория пространства, времени, тяготения. М. Физматгиз, 1948.

2. В.Б. Брагинский, УФН, 86, 433, (1965).

3. J. Bell, A. Hewish, Nature, 213, 12, (1967).

4. В.Б. Брагинский, УФН, 170, 743, (2000).

5. М.Е. Герценштейн, В.И. Пустовойт, ЖЭТФ, 16, 433, (1962).

6. A. Abramovichi et al, Science 256, 326, (1992).

7. A. Abramovichi et al, Phys. Lett. A, 218, 157, (1996).

8. В.Б. Брагинский, ЖЭТФ, 53, 1434, (1967).

Proceeding of the 4^th International LISA symposium, Class. and Quantum Gravity, v.20, n 10, (2003).

M.V.Sazhin, Ya.B.Zeldovich, In: My Universe.(eds. B.Ya.Zeldovich, M.V.Sazhin), Harwood Acad. Publ. (1992).

D.R.Stinebring et al., Phys.Rev.Lett.,, v.65, p.285, (1990)

U.Seljak, M.Zaldarriaga, Phys.Rev.Lett., v.78, p.2054, (1997).

9. http://map.gsfc.nasa.gov

Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М.: УРСС. 2002.