Гравитационное излучение

Гравитацио'нное излуче'ние, излучение гравитационных волн, или волн тяготения , неравномерно движущимися массами (телами).

  Существование гравитационных волн следует из общей теории относительности (теории тяготения) А. Эйнштейна, сформулированной им в 1916. Уравнения для гравитационного поля математически очень сложны и решены лишь для слабого поля. Решение соответствует поперечным волнам, распространяющимся со скоростью света в вакууме. Однако гравитационные волны до сих пор надёжно не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и крайне слабого взаимодействия с веществом. Хотя подавляющее большинство физиков убеждено в их существовании, окончательно вопрос о реальности Г. и. должен решить эксперимент.

  Имеется большая аналогия между законами взаимодействия электрических зарядов и гравитационных взаимодействием масс. Так, закон Кулона сходен с законом всемирного тяготения Ньютона, а уравнения электродинамики Максвелла — с уравнениями Эйнштейна для слабого гравитационного поля. Поэтому и законы Г. и. по форме очень близки к законам излучения электромагнитных волн. Источником электромагнитных волн являются электрические заряды, движущиеся с ускорением, причём мощность электромагнитного излучения тем больше, чем больше заряд и его ускорение. Аналогично, источником Г. и. может быть любое движущееся с ускорением тело. Роль «гравитационного заряда», создающего поле тяготения, играет при этом гравитационная масса тела М _гр или, точнее (чтобы получилась размерность заряда), величина

 где G — гравитационная постоянная , входящая как в закон всемирного тяготения, так и в уравнения Эйнштейна. При неравномерном движении массы гравитационное поле может отрываться от создавшей его массы и распространяться самостоятельно в виде гравитационных волн.

  Мощность Г. и., в полной аналогии с электродинамикой, определяется величиной гравитационного заряда и его ускорением, но она очень мала. Причина этого прежде всего в малости гравитационной постоянной G, определяющей «силу» гравитационного взаимодействия. Из всех известных типов взаимодействий гравитационное взаимодействие — самое слабое. Так, для двух электронов оно в 10⁴² раз слабее их электромагнитного взаимодействия. Кроме того, в отличие от электрических зарядов, все гравитационные заряды (гравитационные массы) имеют один и тот же знак, причём удельный гравитационный заряд — отношение гравитационного заряда к инертной массе тела,

 — один и тот же для всех тел и равен  (т. к. из опыта следует, что гравитационная масса при обычном выборе гравитационной постоянной строго равна массе инертной). Поэтому (аналогично электромагнитному излучению системы электрических зарядов одного знака с одним и тем же удельным зарядом) Г. и. одних частей тела, движущегося с ускорением, будет обязательно частично компенсироваться излучением др. частей этого тела (неполная компенсация происходит только за счёт некоторого расстояния между отдельными частями излучающей массы). Такое излучение, как и сам излучатель, называется квадрупольным. Т. о., переменное движение какой-либо массы может привести лишь к квадрупольному излучению гравитационных волн, интенсивность которого очень мала.

  Малоэффективны и приёмники гравитационных волн — гравитационные антенны, которые также должны быть квадрупольного типа. Гравитационной антенной может служить любая пара масс или протяжённое тело и чувствительное устройство, регистрирующее малые относительные смещения масс. Гравитационная волна создаёт переменное поле ускорений, распространяющееся со скоростью света с. Амплитуда этого поля убывает обратно пропорционально расстоянию от излучателя. Две массы гравитационной антенны, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга в этом поле ускорений, будут колебаться друг относительно друга с частотой излучения. Малая величина относительного смещения масс затрудняет обнаружение Г. и.

  Мощность Г. и., которая может быть получена в лабораторных условиях от передатчика (генератора) реальных размеров, крайне мала (порядка 10^-20 вт ). Поэтому производятся попытки обнаружить Г. и. от источников внеземного происхождения. Самыми надёжными из них (постоянно действующими) являются близкие массивные двойные звёзды с относительно небольшим периодом обращения (1,5—4 ч ) и массами компонентов порядка массы Солнца (к таким источникам относится, например, двойная звезда WZ из созвездия Стрелы). Мощность Г.и. таких звёзд ~ 10²³ gm. Это соответствует поверхностной плотности потока Г. и. вблизи Земли порядка 10^-13 ст/м ² . Большую плотность потока (10^-4 — 10 ^* вт/м ² ) можно ожидать при некоторых взрывных процессах на звёздах.

  В расчёте на такие всплески Г. и. внеземного происхождения американский физик Дж. Вебер (1966) создал приёмник Г. и., в котором гравитационной антенной служил алюминиевый цилиндр длиной 1,5 м и массой 1,5 т. Цилиндр подвешен на тонких нитях к раме, состоящей из стальных блоков, проложенных резиновыми прокладками (антисейсмический Фильтр). Цилиндр и рама помещены в вакуумную камеру, а вся установка размещена вдали от индустриальных помех.

  Кварцевые пьезодатчики, наклеенные вдоль цилиндра, преобразуют механические колебания в электрические сигналы. Чувствительный усилитель (в котором для снижения тепловых колебаний входной контур охлажден до температуры жидкого гелия) позволяет регистрировать механические колебания цилиндра, соответствующие движению одного торца цилиндра относительно другого с амплитудой 2^. 10^-14 см. Второй цилиндр с такими же частотными характеристиками помещен на расстоянии ~ 1000 км от первого. На нём также укреплены пьезодатчики. Электрические сигналы с обоих цилиндров поступают на схему совпадений, чтобы отличить всплески Г. и. (которое должно синхронно возбуждать колебания в обоих цилиндрах) от всплесков тепловых колебаний (которые не коррелированы, т. е. не совпадают во времени). Схема совпадений вырабатывает выходной импульс, если сигналы превышают некоторый выбранный пороговый уровень и если они соответственным образом сдвинуты по времени.

  Установка работала в течение длительного времени и было обнаружено несколько десятков совпадающих всплесков, примерно в 10 раз превышающих шумовой уровень. Возможно, что наблюдалось совместное возбуждение обоих цилиндров гравитационными волнами от некоторого общего источника. Однако плотность потока Г. и., соответствующая зарегистрированным всплескам, составляет несколько десятков тыс. вт/м ² , что является довольно большой величиной для наиболее вероятных расстояний до взрывных источников внеземного происхождения. Дальнейшие экспериментальные исследования должны подтвердить или опровергнуть результат, полученный Вебером. Чувствительность установки Вебера не очень велика (10⁴ вт /м ² ), но она не является предельно достижимой.

  Обнаружение Г. и. от источников внеземного происхождения открыло бы новый канал информации о физических процессах в космосе.

  Лит.: Вебер Дж., Общая теория относительности и гравитационные волны, пер. с англ., М., 1962; Брагинский В. Б., Гравитационные волны и попытки их обнаружения, «Земля и Вселенная», 1965, № 5: его же, Гравитационное излучение и перспективы его экспериментального обнаружения, «Успехи физических наук», 1965, т. 86, в. 3, с. 433—46; Брагинский В.Б., Руденко В. Н., Релятивистские гравитационные эксперименты, там же, 1970, т. 100, в. 3, с. 395; Брагинский В. Б., Физические эксперименты с пробными телами, М., 1970, гл. 3.