Более пятидесяти лет назад советский физик-теоретик разработал метод обнаружения гравитационных волн высоких частот, которые не под силу даже современным детекторам. Эти трудноуловимые колебания могли бы предоставить ценную информацию о Вселенной. Журнал Naked Science попытался разобраться, возможно ли воплотить в жизнь гениальную теорию и реализовать ее на практике.
Земное магнитное поле способно удерживать гравитационные волны, исходящие из космической бездны. Согласно теоретическим расчетам, гигантская обсерватория сможет зафиксировать волны, которые не под силу обнаружить другим детекторам. Изучение этих волн прояснит детали первых моментов существования Вселенной и позволит глубже понять процессы, происходящие при столкновениях черных дыр. Это стало возможным благодаря эффекту, открытому Михаилом Евгеньевичем Герценштейном в 1962 году.
Реализация данной идеи в ближайшие годы или даже в перспективе нескольких десятилетий – вопрос, требующий детального рассмотрения искали китайские физики на страницах престижного журнала Physical Review Letters.
Впечатления от этой статьи исключительно позитивные. По мнению рецензента из журнала Nature Astronomy назвал исследование «интригующим доказательством концепции». Пресс-релиз Университет науки и технологий Гонконга заявил, что инновационная стратегия команды позволит эффективно обнаруживать высокочастотные гравитационные волны. Это станет возможным благодаря использованию уже существующих и технологически реализуемых астрономических телескопов, расположенных в магнитосферах планет. Такая технология предоставит новые перспективы для изучения ранней Вселенной и экстремальных космических явлений, представляя собой технически осуществимое и эффективное решение».
Действительно, предложение выглядит привлекательным. Высокочастотные гравитационные волны, в отличие от волн со средней и низкой частотой, находятся за пределами возможностей существующих и разрабатываемых детекторов.
Внимательное изучение научной работы, выполненной китайскими физиками, несколько снижает первоначальный оптимизм. Попробуем разграничить научно обоснованные выводы и элементы научной фантастики.
Космос волнуется
Прежде всего, необходимо понять, что такое гравитационные волны. Согласно общей теории относительности (ОТО), гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Иными словами, любое тело деформирует пространство-время, окружающее его. Однако это не исчерпывает всей информации. Если тело движется с ускорением, которое изменяется, это также создает возмущение. В качестве примера можно привести яблоко, падающее с ускорением свободного падения и внезапно ударяющееся о землю.
В соответствии с уравнениями общей теории относительности, изменяющееся ускорение создает возмущения в пространстве-времени, которые и являются гравитационными волнами. Для упрощенного понимания их можно сравнить с волнами на поверхности воды, возникающими при падении камня. Гравитационные волны испускаются источником и распространяются во всех направлениях со скоростью света.
Гравитационные волны вызывают колебания пространства, приводя к ритмичному изменению расстояний между заданными точками. Однако, эти изменения настолько незначительны, что их крайне сложно зафиксировать. Лишь масштабные космические события, например, слияние черных дыр или нейтронных звезд, способны генерировать достаточно сильные волны.
Что подразумевается под термином «сравнительно мощные»? Для удобства описания амплитуды гравитационной волны целесообразно использовать относительную деформацию ( characteristic strain). Обозначим ее буквой δ. Пусть два неподвижных тела находятся на расстоянии L. Под воздействием гравитационной волны расстояние между ними будет изменяться, принимая значения L+δL, L или L-δL, и так далее. Для гравитационных волн, регистрируемых детекторами LIGO и VIRGO, обычная относительная деформация составляет от 10 -21 до 10-22. В таких условиях, когда расстояние между объектами достигает километра, даже незначительное смещение будет на тысячи порядков меньше радиуса протона. Создание детекторов, способных фиксировать столь малые изменения, представляет собой выдающееся достижение инженерной практики.
При регистрации гравитационных волн ключевую роль играют не только их амплитуда, но и частота, определяющая число колебаний за единицу времени. Детекторы LIGO и VIRGO способны зафиксировать волны в диапазоне частот от десятков герц до килогерц. Это означает, что новый пик волны проходит через прибор примерно каждую десятую-тысячную долю секунды, что сопоставимо с частотами обычного звука. Именно гравитационные волны такого рода были впервые зафиксированы в 2015 году. С тех пор их наблюдение стало рутинной процедурой.
В 2023 году астрономы зафиксировали волны сверхнизких частот в несколько наногерц. Это означает, что следующего гребня волны нужно ждать годы или даже десятилетия, хотя волна движется со скоростью света. Ученые использовали в качестве природного детектора далекие от Земли нейтронные звезды.
Теоретически гравитационные волны могут иметь любую частоту – от мегагерц до септиллионов герц. Обнаружение таких волн представляло бы большой интерес. К примеру, реликтовые гравитационные волны с высокими частотами содержат сведения о состоянии Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Для сопоставления: химический состав галактик позволяет получить информацию о первых минутах существования Вселенной, а реликтовое радиоизлучение – о первых сотнях тысяч лет.
На данный момент не существует технологий для регистрации высокочастотных гравитационных волн, однако у ученых есть определенные подходы к решению этой задачи. Среди них наиболее перспективной представляется концепция, разработанная советским физиком Герценштейном.
Гений на гребне волны
Михаил Евгеньевич Герценштейн является важной фигурой в области исследований гравитационных волн. Еще в 1962 году он разработал принципиальную схему детектора гравитационных волн, совместно с Владиславом Ивановичем Пустовойтом. Эта схема была реализована в детекторе LIGO, который в 2015 году позволил зафиксировать первую гравитационную волну. Михаил Евгеньевич, к сожалению, не дожил до этого открытия.
В том же 1962-м Герценштейн опубликовал статью «Волновой резонанс электромагнитных и гравитационных волн». Для справки, электромагнитные волны, в зависимости от частоты, включают в себя радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение.
Решение уравнений общей теории относительности позволило физику-теоретику предсказать необычное явление. Если электромагнитная волна проходит через магнитное поле, она создаст слабую гравитационную волну с той же частотой, передав ей часть своей энергии. Позднее это явление получило название эффекта Герценштейна.
Как правило, астрономы не принимают во внимание данный эффект, так как он крайне незначителен. Дело в том, что, например, в Солнце присутствуют и электромагнитное излучение, и магнитные поля. Однако потери энергии, связанные с излучением гравитационных волн, настолько невелики, что ими можно пренебречь в большинстве случаев.
В заключение своей статьи классик отмечает, что Общая теория относительности предполагает возможность преобразования гравитационных волн в электромагнитные, однако считает этот вопрос маловероятно заслуживающим внимания».
В начале нового столетия физиков особенно заинтересовал обратный эффект Герценштейна. Если гравитационная волна с частотой, например, 100 мегагерц, пройдет через магнитное поле, то возникнет радиоволна той же частоты. Появление радиоволны, будто возникшей из ничего, указывает на то, что здесь проходит гравитационная волна частотой 100 мегагерц. Гравитационные волны с еще более высокими частотами приведут к образованию инфракрасных, световых и других видов излучения.
Для создания детектора гравитационных волн в мега- или гигагерцовом диапазоне достаточно расположить радиоприемник с антенной в магнитном поле. Если же вместо радиоприемника использовать оптический телескоп, то можно будет улавливать гравитационные волны, близкие к «световым» частотам. Подобная концепция, как минимум, постулируется теорией.
Воспаряя к звездам
В реальности эффект Герценштейна, подобно своему прямому аналогу, демонстрирует незначительную выраженность. Для того чтобы гравитационные волны создали ощутимый сигнал, магнитное поле должно обладать либо чрезвычайной интенсивностью, либо существенным протяжением, а в идеале – сочетать в себе оба этих качества.
Наблюдение этого явления в лабораторных условиях маловероятно. Рекордное магнитное поле, созданное человеком, составляло всего 2800 тесла. По бытовым меркам это много (привычная магнитная подковка имеет поле примерно 0,1 тесла). Но для обнаружения гравитационных волн в узких стенах лаборатории такого поля явно недостаточно.
Физики рассматривали возможность применения пульсаров, являющихся самыми сильными магнитами во всей наблюдаемой Вселенной. Эти нейтронные звезды, размеры которых составляют несколько километров, обладают магнитными полями, достигающими миллиардов тесла. В качестве альтернативы предлагалось использовать межзвездные магнитные поля, несмотря на их слабость, поскольку они охватывают огромные расстояния, измеряемые световыми годами.
Сложность заключается в том, что пульсары, подобно межзвездным безднам, располагаются на значительном удалении. Значения их магнитных полей определены лишь с погрешностью в несколько порядков, что подразумевает возможную ошибку в несколько раз. Наблюдение излучений, исходящих на расстояниях в десятки и сотни световых лет от Земли, также представляет собой непростую задачу. При наличии столь ограниченной информации, как различить излучение, вызванное обратным эффектом Герценштейна, от множества других космических излучений?
В рамках новой научной работы авторы выдвинули любопытную концепцию, предполагающую применение магнитосферы Земли. Геомагнитное поле обладает невысокой интенсивностью (25-65 микротесла на поверхности планеты), но характеризуется значительным протяжением. Геомагнитный «хвост», расположенный над ночной стороной Земли, простирается на сотни тысяч километров. Кроме того, земная магнитосфера, в отличие от пульсарной или межзвездной, достаточно хорошо исследована. И, самое важное, приемник электромагнитного излучения можно разместить непосредственно на поверхности Земли, а не на расстоянии световых лет от магнитосферы.
С небес на землю
Авторы новой статьи стремились выяснить, возможно ли создать подобный детектор в настоящее время. В качестве основы они использовали характеристики уже существующих приборов: 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 эти физические инструменты они условно разместили на низкой околоземной орбите.
Для защиты от прямого солнечного излучения телескопы располагались на обратной стороне Земли, освещенной ночью. По наиболее вероятному сценарию, наблюдения должны были длиться год, а в оптимистичном – десять лет. Кроме того, ученые провели испытания, используя мощную магнитосферу Юпитера и приборы, установленные на зонде «Юнона» (Juno), вращающемся вокруг этой планеты-гиганта).
Относительная деформация, которая описывает амплитуду гравитационных волн, заслуживает отдельного рассмотрения. Разработанный исследователями детектор позволит зафиксировать определенную величину относительной деформации.
Итоговые данные оказались неутешительными. Даже при самом благоприятном развитии событий наименьшая относительная деформация, которую удалось выявить, составляла от 10 -18 для инфракрасных волн до 10-28 для гамма-лучей. Казалось бы, вполне приличные показатели: обнаруживают же детекторы LIGO и VIRGO волны с относительной деформацией 10 -21. Но есть нюанс.
В любом процессе, от турбулентности в ранней Вселенной до слияния черных дыр, возникает множество гравитационных волн, отличающихся по частоте и амплитуде. При этом, с увеличением частоты амплитуда уменьшается.
Примером могут служить гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр. На частотах, измеряемых LIGO и VIRGO, в диапазоне от герц до килогерц, относительная деформация пространства-времени составляет 10 -21 — 10-22. На «инфракрасных» частотах, порядка сотен триллионов герц, относительная деформация составляет менее 10 -35. Этот показатель на сто квадриллионов раз меньше минимального значения, которое способен зафиксировать геомагнитный детектор. На более высоких частотах ситуация не лучше.
Результаты исследования следует представить чётко и прямо, без смягчений и излишнего позитива. Описанный китайскими учёными метод регистрации гравитационных волн оказался неэффективным. Гравитационные волны, исходящие от любых источников, значительно ниже порога их обнаружения.
Для эффективной работы этого подхода требуется вывод на нижнюю околоземную орбиту не аппараты типа «Хаббл» и «Вояджер», а телескопы невероятных, невообразимых размеров. Технически создать их на данный момент невозможно, даже не говоря уже о стоимости реализации. Если бы у нас были телескопы такого масштаба, астрономы, вероятно, настояли бы на использовании их для других целей, а не только для регистрации гравитационных волн. Направив такие гигантские инструменты на отдаленные звезды и галактики, исследователи, несомненно, совершили бы огромное количество удивительных открытий ( автор мечтательно вздыхает).
Иногда даже неудача может быть полезным результатом. Проведенные расчеты продемонстрировали, что предлагаемый метод неэффективен, и дальнейшие исследования в этом направлении нецелесообразны. Огорчает лишь то, что некоторые средства массовой информации, претендующие на научность, ошибочно интерпретировали явное отрицательное заключение как позитивное.