Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды. Для слежения за ними нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров.
Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также являются результатом слабых или очень отдаленных единичных событий. Может быть, речь идет о столкновениях звезд, возникших вскоре после Большого взрыва? Или о процессах, протекавших в молодой Вселенной и вызвавших нарушения пространственно-временной структуры? Или даже об отголосках Большого взрыва?
В конце 1960-х годов попытку обнаружить эти волны предпринял физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета. Сердцевину его детектора составил алюминиевый цилиндр длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. С его помощью ученый намеревался измерить гравитационные волны, которые распространяются перпендикулярно продольной оси цилиндра и вызывают его колебания. По этой причине цилиндр должен был слегка деформироваться – величину этой деформации Уэбер и хотел определить. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его зафиксировать. Однако эти исследования не принесли однозначного результата.
Первый опытный образец лазерного интерферометра для измерения гравитационных волн построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories. В 1980-е годы целый ряд лабораторий обзавелся подобными приборами. Они появились в Калифорнийском технологическом институте, в университетах Глазго и Токио, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.
Принцип измерения таков. На концах и посредине L-образной установки, защищенной от любых вибраций, подвешены три груза. Расположенный рядом лазер испускает в ее сторону луч. Установка отрегулирована так, что лазерные лучи затухают за счет интерференции, то есть наложения их друг на друга. Если сквозь установку пройдет гравитационная волна, то расстояние между грузами на какой-то миг немного изменится. Иной станет и интерференционная картина. Так, мы убедимся, что измерительная база деформировалась. Мы обнаружим «след гравитационной волны».
Длина измерительной базы намного превышает длину прежних детекторов-цилиндров. Во-первых, плечи самой L-образной конструкции вытянулись на километры. Во-вторых, лазерные лучи, по нескольку раз отражаясь от зеркал, преодолевают огромный путь. Все это намного повышает чувствительность прибора.
Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1974 году два американских радиоастронома, Рассел Халс и Джозеф Тейлор, обнаружили в созвездии Орла очень редкий объект: двойной пульсар – систему из двух нейтронных звезд. По Эйнштейну, подобная система теряет большое количество энергии за счет излучения гравитационных волн. Вследствие потери энергии обе звезды постепенно сближаются и при этом начинают вращаться все быстрее. После наблюдений, длившихся более десяти лет, Халс и Тейлор действительно зафиксировали, что период обращения этих звезд сократился. Разница точно соответствовала значению, предсказанному теорией относительности, если предположить, что часть энергии уносят гравитационные волны. В 1993 году эта работа была удостоена Нобелевской премии по физике.
Сразу несколько установок, созданных в разных странах мира, пытаются сейчас выследить эти неуловимые волны. Одна из них – GEO600, германо-британская установка, построенная близ Ганновера. Ее интерферометры ведут наблюдение в диапазоне от 1 до 10 000 герц. С помощью этого детектора можно обнаружить, например, гравитационные волны, излучаемые при взрыве сверхновой звезды.
Теоретики ведь убеждают нас в том, что доказать существование этих волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как этого добиться, и… кивают на практиков. Почему же до сих пор этого не удалось сделать? Причина в том, что ожидаемый эффект, повторюсь, чрезвычайно мал. Так, длина плеча установки GEO600 составляет 600 метров. Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой звезды длина этого плеча под воздействием гравитационных волн изменится за несколько тысячных долей секунды на величину порядка 10 —19 метра, что в тысячи раз меньше диаметра атомного ядра. Понятно, что зафиксировать такую величину невероятно трудно – тем более, что микросейсмическая активность земных недр вносит свои помехи. Еще недавно подобная точность измерений и вовсе считалась невозможной.
Что же касается гравитационных волн частотой менее одного герца, то единственный шанс их обнаружить – это следить за ними в космосе. Этим займутся участники совместного проекта НАСА и ЕКА, получившего название LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Предполагается, что исследования в рамках этого проекта начнутся в 2015 году.
Могут ли сталкиваться Галактики?
Во Вселенной нет покоя. Его никогда не было и не будет. Однообразное кружение планет и светил – вовсе не императив мироздания. Наоборот, с заунывной будничностью космос сотрясают катастрофы непомерных масштабов. Наша Вселенная родилась в пламени Большого взрыва и до наших дней не знает покоя. Галактики, ее составляющие, разлетаются во все стороны. Время от времени одна из них сталкивается с другой, поглощает ее, поглощается ей, распадается, вспучивается, выгорает дотла… Мы пребываем среди Хаоса. Мы охвачены им.
После появления Космического телескопа имени Хаббла, выведенного на орбиту в 1990 году, стало возможным воочию наблюдать за столкновениями далеких галактик. Подобные катаклизмы случаются с любыми из них, стоит лишь им неосторожно сблизиться. В одних случаях галактики лишь задевают друг друга вскользь, в других следуют лобовые удары, решительно меняющие облик обоих объектов. Во время этих катастроф выделяются громадные количества энергии; перемещаются массы, которые трудно себе даже вообразить.
Столкновение галактик
В 2004 году астрономы наблюдали самую грандиозную космическую коллизию – столкновение двух галактических скоплений, каждое из которых содержит тысячи галактик. Оно происходит в 800 миллионах световых лет от Земли под аккомпанемент мощнейших рентгеновских вспышек. Ударные волны разогревают межзвездное пространство до 100 миллионов градусов. По словам некоторых ученых, катастрофа сопровождается крупнейшим выбросом энергии за всю историю Вселенной после Большого взрыва.
Что же происходит, когда сталкиваются две гигантские галактики, насчитывающие сотни миллиардов звезд? Событие это вовсе не похоже на удар астероида о Землю. Галактика – не твердое тело, всей своей поверхностью бьющееся о встречный объект. Звезды одной из галактик легко просачиваются мимо спешащих навстречу звезд, ведь расстояния между ними в сотни миллионов раз превышают диаметр самих светил. Зато огромные массы межзвездного газа, мчащиеся навстречу друг другу, нагреваются и вспыхивают после соударения. В их гуще начинаются термоядерные реакции. Образуются новые звезды. Они станут исчисляться тысячами, а то и сотнями тысяч. Их раскаленные массы будут излучать яркий голубой свет. Примером такого скопления молодых звезд являются Плеяды, наблюдаемые в созвездии Тельца.
Итак, сближение галактик не приводит к столкновениям звезд, крошащим их как фарфоровую посуду. А вот расстояния между отдельными галактиками внутри скоплений всего в десятки или сотни раз превышают диаметр этих галактик. Значит, сшибки между ними неизбежны. В настоящее время 1–2 % всех галактик сталкиваются или сливаются друг с другом. В далеком прошлом эти коллизии случались гораздо чаще, потому что размеры Вселенной были меньше и галактики располагались ближе друг к другу. Астрономы выделяют сейчас два типа галактических коллизий.
В пятистах миллионах световых лет от нас, в созвездии Скульптора, которое можно увидеть лишь в Южном полушарии, расположена галактика Тележное Колесо. Она в полтора раза больше Млечного Пути. Когда-то она была обычной спиральной галактикой. Теперь же напоминает колесо, обод которого внезапно загорелся. Диаметр «колеса» достигает 150 тысяч световых лет. Оно очень нестабильно и удаляется от центра галактики со скоростью 94 километра в секунду. Вблизи от центра со сверхзвуковой скоростью извергаются струи раскаленного газа – так называемые «джеты». Они тянутся на тысячи световых лет. Возникает ощущение, что какая-то громадная, невидимая нам «метла» решительно выметает все звезды из недр этой галактики, оставляя мириады светил пылать вдоль ее «обода». Причиной такого необычного процесса стало столкновение с карликовой галактикой, пронзившей Тележное Колесо насквозь. Спиральные рукава сомкнулись, образовав кольцо. Звезды сбились к его краю или в середину. Там началось массовое зарождение новых звезд.
