Пятдесят лет назад советский теоретик придумал способ регистрировать гравитационные волны высокой частоты, которые недоступны современным детекторам.
Магнитное поле Земли может задерживать гравитационные волны из космоса. Теоретически гигантская обсерватория сможет обнаружить волны, недоступные другим детекторам. Это прольёт свет на первые мгновения жизни Вселенной и даст возможность лучше изучить столкновения черных дыр. Всё благодаря эффекту, открытому Михаилом Евгеньевичем Герценштейном в 1962 году.
Возможна реализация этой идеи в скором будущем? искалиФизики из Китая опубликовали статью в престижном журнале. Physical Review Letters.
Отзывы об этой статье полны оптимизма. Обозреватель журнала Nature Astronomyназвал исследование «интригующим доказательством концепции». Пресс-релизУниверситет науки и технологий Гонконга применяет инновационный подход команды для обнаружения высокочастотных гравитационных волн с помощью существующих астрономических телескопов в магнитосферах планет. Это открывает новые возможности для изучения ранней Вселенной и экстремальных космических событий эффективным и технически реализуемым способом.
Звучит привлекательно, потому что высокочастотные гравитационные волны недоступны ни одному существующему или проектируемому детектору, в отличие от средне- и низкочастотных.
Внимательное прочтение научной статьи китайских физиков несколько понижает уровень оптимизма. Необходимо отличать строгую физику от научной фантастики.
Космос волнуется
Общая теория относительности говорит, что гравитация — искривление пространства-времени. Все тела искажают пространство-время вокруг себя. Если тело движется с ускорением, которое меняется, то это также создает волны в пространстве-времени.
Согласно уравнениям ОТО, меняющееся ускорение создаёт волны в пространстве-времени — гравитационные волны. Сравнить их можно с волнами на воде, образующимися после брошенного камня. Гравитационные волны распространяются от источника во все стороны со скоростью света.
Гравитационные волны вибрируют пространством: расстояние между неподвижными точками ритмично изменяется. Но это изменение настолько мало, что его практически невозможно заметить. Только самые масштабные космические катастрофы, такие как столкновения черных дыр или нейтронных звезд, создают сравнительно мощные волны.
Какова природа выражения «сравнительно мощные»? Расчет амплитуды гравитационных волн удобно проводить через характеристику относительной деформации. characteristic strainОбозначим изменение расстояния δL. Пусть два неподвижных тела разделены на расстояние L. Гравитационная волна будет менять это расстояние: то до L+δL, то обратно до L, то до L-δL и так далее. Для гравитационных волн, которые регистрируют LIGO и VIRGO, типичное изменение расстояния составляет от 10… -21 до 10-22Если расстояние между телами составляет километр, смещение будет в тысячу раз меньше радиуса протона. Детекторы, способные обнаруживать такие смещения, — настоящий инженерный шедевр.
Регистрация гравитационных волн требует учета не только амплитуды, но и частоты – количества колебаний в секунду. Детекторы LIGO и VIRGO регистрируют волны с частотой от десятков до килогерц. Это означает, что новый гребень волны проходит через прибор каждые десятые-тысячные долей секунды. Этот диапазон частот приблизительно совпадает с диапазоном обычного звука. Именно такие гравитационные волны впервые обнаружили в 2015 году, и с тех пор их наблюдение стало регулярным.
В 2023 году астрономы зафиксировалиСверхнизкочастотные волны в несколько наногерц. Это означает, что дождаться следующего гребня волны придётся годами или даже десятилетиями, хотя сама волна распространяется со скоростью света. Учёные использовали в качестве природного детектора удалённые от Земли нейтронные звёзды.
Теория гласит о возможности гравитационных волн любой частоты, начиная от мегагерц и до септиллионов герц. Ловкость таких волн представляла бы большой интерес. Например, реликтовые гравитационные волны высоких частот содержат сведения о Вселенной спустя доли секунды после Большого взрыва. Для сравнения: химический состав галактик позволяет заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, а реликтовое радиоизлучение — в первые сотни тысяч лет.
Суть проблемы в отсутствии методики по ловле высокочастотных гравитационных волн. И все же у ученых имеются концепции. Одна из самых перспективных, вероятно, принадлежит советскому физику Герценштейну.
Гений на гребне волны
Герценштейн — важная фигура в изучении гравитационных волн. В далеком 1962 году предложил принципиальную схему детектора гравитационных волн (в соавторстве с Владиславом Ивановичем Пустовойтом). Именно эта схема воплотилась в детекторе LIGO, который помог обнаружить первую гравитационную волну в 2015 году. К сожалению, Михаил Евгеньевич не дожил до этого открытия.
В том же 1962-м Герценштейн опубликовал статьюРезонанс волн электромагнитного и гравитационного характера. К электромагнитным волнам относятся радиоволны, инфракрасные волны, свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Решив уравнения ОТО, физик теоретически предсказал любопытное явление: электромагнитная волна, распространяясь через магнитное поле, породит слабую гравитационную волну той же частоты, отдав ей небольшую часть своей энергии.
В астрономии этот эффект обычно не берётся во внимание, поскольку он крайне слаб. Солнце обладает как электромагнитным излучением, так и магнитными полями. Однако потери энергии за счёт излучения гравитационных волн настолько малы, что пренебречь ими можно практически при решении любых задач.
Классик завершает статью словами: «Из общей теории относительности вытекает также возможность обратного преобразования гравитационных волн в электромагнитные волны, однако вряд ли эта задача представляется интересной».
На рубеже веков обратный эффект Герценштейна привлекал физиков своим необычным явлением. Если гравитационная волна частотой, например, 100 мегагерц, проходит через магнитное поле, то возникнет радиоволна той же частоты.
Появление внезапной радиоволны сигнализирует о прохождении гравитационной волны с частотой в 100 мегагерц. Гравитационные волны более высоких частот порождают инфракрасные, световые и другие виды волн.
Если поместить в магнитное поле радиоприемник с антенной, получится детектор гравитационных волн мега- или гигагерцового диапазона. Оптический телескоп вместо приемника позволит ловить гравитационные волны «световой» частоты. Теория гласит об этом.
Воспаряя к звездам
В реальности обратный эффект Герценштейна, равно как и прямой, проявляется слабо. Для того чтобы гравитационные волны создавали ощутимый сигнал, магнитное поле должно быть либо очень мощным, либо очень большим по протяженности, предпочтительно обладающим и тем, и другим качествами одновременно.
В лабораторных условиях увидеть это явление маловероятно. созданноеМагнитное поле, создаваемое человеком, составляло всего два с половиной тысячи тесла. По бытовым меркам это много (обычная магнитная подковка имеет поле примерно 0,1 тесла). Но для обнаружения гравитационных волн в узких стенах лаборатории такого поля явно недостаточно.
Некоторые физики предлагают использовать пульсары — самые мощные магниты во Вселенной. Это нейтронные звезды размером в несколько километров с магнитными полями, достигающими миллиардов тесла. Другие высказывают идею использования межзвездных магнитных полей. Хотя такие поля очень слабы, зато простираются на многие световые годы.
Задача усложняется тем, что пульсары и межзвездные пространства расположены очень далеко. Точность определения величин их полей не превышает порядка величины, то есть возможна ошибка в несколько раз. Наблюдение излучений, исходящих из десятков и сотен световых лет, тоже представляется затруднительным. При таких скудных данных как отличить излучение, порожденное обратным эффектом Герценштейна, от других излучений, которых в космосе множество?
Учёные предложили использовать геомагнитные поля Земли для новых исследований. Геомагнитный поле слабое (25-65 микротесла на поверхности), но протяжённое. Его «хвост» над ночной стороной планеты тянется на сотни тысяч километров. В отличие от других магнитосфер, наша хорошо изучена. Кроме того, можно установить приемник электромагнитного излучения непосредственно на Земле, а не за световые годы от её магнитосферы.
С небес на землю
Авторы новой статьи искали, можно ли реализовать детектор уже сегодня, изучив параметры существующих инструментов: инфракрасного приемника с метеорологического спутника «Нимбус», оптического телескопа «Хаббл», ультрафиолетового детектора с межпланетного зонда «Вояджер», рентгеновского телескопа «Сузаку» и гамма-телескопа орбитальной обсерватории «Ферми». Все это оборудование физики мысленно переместили на низкую околоземную орбиту.
Телескопы активизировали над ночной частью Земли для защиты от солнечного излучения.
Консервативный сценарий предусматривал год наблюдений, оптимистичный — десять лет. Кроме того, учёные испытали мощную магнитосферу Юпитера и приборы зонда «Юнона», обращающегося вокруг гиганта.
Вспомним о деформации, указывающей на силу гравитационных волн. Учёные подсчитали, какая деформация может быть обнаружена предложенным ими устройством.
Результаты оказались неудовлетворительными. Даже при самом благоприятном развитии событий минимально заметная относительная деформация составляла минимум 10 %. -18 для инфракрасных волн до 10-28Для гамма-лучей показатели кажутся удовлетворительными: детекторы LIGO и VIRGO регистрируют волны с относительной деформацией в 10. -21. Но есть нюанс.
Каждый процесс, будь то колебания первобытной Вселенной или слияние чёрных дыр, создаёт множество гравитационных волн, отличающихся по частоте и силе. Частота выше – сила меньше.
Например, рассмотрим гравитационные волны от столкновения чёрных дыр. В диапазоне «звуковых» частот в герцах и килогерцах, доступных LIGO и VIRGO, у них действительно есть относительная деформация в 10… -21 — 10-22На частотах «инфракрасного» диапазона в сотни триллионов герц относительное искажение не превышает 10. -35Это в сто триллионов раз меньше минимума, который мог бы обнаружить геомагнитный детектор. В диапазоне более высокой частоты ситуация не лучше.
Исследование показало, что способ регистрации гравитационных волн, предложенный китайскими физиками, неэффективен. Гравитационные волны любого происхождения слишком слабы для обнаружения данным методом.
Для функционирования метода необходим запуск на низкую околоземную орбиту не «Хаббла» и «Вояджера», а телескопов фантастического размера. Создание таких инструментов невозможно даже с технической точки зрения, не говоря уже о стоимости. При наличии телескопов такого масштаба астрономы могли бы критиковать физиков за предложение использовать их для регистрации гравитационных волн. автор мечтательно вздыхает).
В этом случае отрицательный результат всё же результат. Вычисления подтвердили, что метод неприменим. Не стоит тратить время на рассмотрение этого варианта. Удручает лишь то, что часть популярных изданий, занимающихся наукой, назвали явно отрицательный результат положительным.