Гравитационные волны, исследования Дж. Вебера

Во вселенной присутствует мало изученный тип слабо взаимодействующего излучения — гравитацион­ные волны. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, при ускорении частицы или при деформации тела излучаются гравитационные волны. Они распрост­раняются в вакууме со скоростью света и несут инфор­мацию об изменении гравитационного поля источника.

Это предсказание общей теории относительности пока еще не подтверждено окончательно экспериментами, хотя, по-видимому, к такому же результату должна приводить любая релятивистская теория тяготения. Трудности, с которыми сталкивается экспериментатор, вызваны сла­бостью гравитационного взаимодействия. Для примера укажем, что гравитационная сила притяжения между протоном и электроном составляет всего лишь около 10% силы их электростатического взаимодействия. Чтобы сила гравитации была доступна изме­рениям, необходимо очень массивное тело, такое, как, например, Земля. Поэтому в лабораторных условиях можно генерировать только очень слабые гравитацион­ные волны, которые лежат ниже порога обнаружения даже самыми современными методами.

Тогда возникает вопрос: достаточно ли интенсивно гравитационное излучение естественного происхождения, чтобы его можно было обнаружить? До недавнего вре­мени прогнозы были не слишком обнадеживающими. Однако теперь стало ясно, что многие типы объектов во Вселенной могут катастрофически взрываться с вы­делением колоссальной энергии. На страницах нашей энциклопедии мы еще познакомимся с несколькими примерами таких грандиоз­ных взрывов, однако сейчас для нас важно то, что они могут дать доступный измерениям поток гравитационных волн.

Эти соображения побудили Дж. Вебера посвятить многие годы созданию высокочувствительного детектора гравитационных волн. Типичный детектор представляет собой металлическую болванку длиной около метра, подвешенную на проволоке в глубоком вакууме. Упав­шая на болванку гравитационная волна вызывает в ней колебания, которые регистрируются пьезоэлектриче­скими кристаллами, прикрепленными к ее поверхности. Необходимы тщательные меры предосторожности, что­бы изолировать болванку от возмущений негравитационного характера. Некоторое представление о чувстви­тельности детектора Вебера дает тот факт, что детектор в состоянии зарегистрировать колебания болванки с амплитудой всего 10^-14 см. Поскольку одних только тепловых шумов достаточно, чтобы вызывать колебания такой амплитуды, то для отождествления сигнала от гравитационной волны последний должен иметь боль­шую амплитуду. Это обстоятельство налагает серьезные ограничения на чувствительность детектора. Чтобы пре­одолеть эти трудности, Вебер установил несколько оди­наковых детекторов, работающих по схеме совпадений.

В середине 1969 г. Вебер впервые сообщил, что он получил большее число совпадений, чем можно было бы ожидать, если бы за них был ответствен тепловой шум. Более того, он нашел столько же совпадений (в преде­лах временного разрешения полсекунды) между детек­торами, установленными в одной лаборатории, сколько между детекторами, находящимися па расстоянии тысяч километров друг от друга. Наблюдалось примерно одно совпадение в неделю, и Вебер считал, что имеются основа­ния утверждать, что многие из совпадений не могут быть вызваны не чем иным, как гравитационными волнами.

Вычисленный на основании этих наблюдений поток гравитационного излучения довольно значителен. Кроме того, последующие наблюдения Вебера показывали уве­личение потока, когда в лепесток диаграммы направлен­ности детектора попадал центр Галактики. Предпола­гается, что за это явление ответственны катастрофиче­ские процессы, которые там происходят, однако частота событий (одно совпадение в неделю или, в более позд­них экспериментах, одно совпадение в день) представ­ляется слишком большой. Потеря массы на гравитацион­ное излучение должна была бы стать важной статьей в общем балансе массы и в динамике Галактики, если только эти взрывы не начались сравнительно недавно. Открытие гравитационного излучения столь важно для физики, и к тому же поток волн, данные о котором который приводит Вебер, столь велик, что требуется подтверждение его измерений в независимых экспериментах. Несколько подобных экс­периментов находятся в настоящее время в стадии под­готовки и скоро начнут давать результаты.