Гравитационные волны

Ошибка скрипта: Модуля «hatnote» не существует.{{#if: | }} Шаблон:Не путать Шаблон:ОТО

Поляризованная гравитационная волна

Гравитацио́нные во́лны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс<ref>Шаблон:Книга:Физическая энциклопедия</ref>. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени»<ref name=Levin>Алексей Левин. Гравитационные волны: дорога к открытию Шаблон:Wayback. «Троицкий вариант». № 3(197), 23 февраля 2016 года.</ref>.

В общей теории относительности и в некоторых других теориях гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением<ref>Шаблон:Публикация</ref>. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрацииШаблон:Переход.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО). Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дырыШаблон:Переход. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно движущимися (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой Шаблон:Math гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (Шаблон:Math=10⁻¹⁸—10⁻²³). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Разные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света<ref>Учёные зафиксировали предсказанные Эйнштейном гравитационные волны Шаблон:Wayback.</ref>. По результатам экспериментов LIGO пределы скорости гравитационных волн с вероятностью 90 % оцениваются от 0,55 до 1,42 скорости света<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

Период гравитационных волн может составлять миллионы лет. Частота может изменяться в наногерцах<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

За экспериментальное обнаружение гравитационных волн была присуждена Нобелевская премия по физике 2017 года<ref name=nobel>Шаблон:Cite web</ref>.

Генерация гравитационных волн

Файл:Wavy.gif

Система из двух нейтронных звёзд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением<ref>В первом приближении, если третья производная тензора квадрупольного момента масс системы отлична от нуля, то система будет излучать гравитационные волны<ref name=LandauLifshitz/>.</ref>. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть <math> \sim m\frac{da}{dt} </math>. Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по третьему закону Ньютона), при этом оказывается, что Шаблон:Math. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр <math>\left(\frac{r_g r^2}{(c T)^3}\right)^2,</math> где <math>r_g</math> — гравитационный радиус излучателя, Шаблон:Math — его характерный размер, Шаблон:Math — характерный период движения, Шаблон:Math — скорость света в вакууме<ref>Шаблон:Книга:МТУ</ref>.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

сталкивающиеся галактики (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости<ref name="Lipunov">Шаблон:Статья</ref>.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Файл:Orbit2.gif

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Шаблон:Main Два гравитационно связанных тела с массами Шаблон:Math и Шаблон:Math, движущиеся нерелятивистски <math>(v \ll c )</math> по круговым орбитам вокруг их общего центра масс (см. задача двух тел) на расстоянии Шаблон:Math друг от друга, излучают гравитационные волны следующей мощности, в среднем за период<ref name=LandauLifshitz/>:

<math>

-{\frac Шаблон:\it d \mathcal E Шаблон:\it dt} = {\frac {32\,G^4 m_1^2 m_2^2 \left( m_1 + m_2 \right) }{5\, c^5 r^5}}, </math>

где Шаблон:Math — гравитационная постоянная. Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

<math>

\dot r=-{\frac {64\, G^3 m_1 m_2 \left( m_1 + m_2 \right) }{5\, c^5 r^3}}. </math>

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Юпитера и его спутника Ио Шаблон:Нет АИ. Мощность этого излучения примерно Шаблон:Nobr; мощность, излучаемая подсистемой Солнце — Юпитер составляет около Шаблон:Nobr, а мощность, излучаемая подсистемой Солнце — Земля, — около Шаблон:Nobr. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел<ref>В результате, большие полуоси планет не уменьшаются вследствие гравитационного излучения, а увеличиваются (для Земли на ~ 1 см в год) вследствие уменьшения массы Солнца.</ref><ref>Шаблон:Книга:МТУ</ref>. Частота излучаемых гравитационных волн равна удвоенной частоте обращения системы двух тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при орбитальном обращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, намного большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системыШаблон:Нет АИ.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди — Пирани — Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида

<math>ds^2=(dx^0)^2-((dx^1)^2+\alpha(dx^2)^2+2\beta(dx^2dx^3)+\gamma(dx^3)^2).</math>

Если ввести переменную <math>u=x^0-x^1</math> и функцию <math>\lambda=\alpha\gamma-\beta^2</math>, то из уравнений ОТО получим уравнение

<math>\frac{d^2\lambda}{du^2}-\frac{1}{2}\frac{d\lambda}{du}\frac{d(\ln\lambda)}{du}-\frac{d\alpha}{du}\frac{d\gamma}{du}-\left(\frac{d\beta}{du}\right)^2=0.</math>

Метрика Такено

имеет вид

<math> ds^2=(P+S)(dx^0)^2-2Sdx^0dx^1-(P-S)(dx^1)^2-\alpha(dx^2)^2-2\beta(dx^2dx^3)-\gamma(dx^3)^2,</math>

где <math>P, S</math> — функции, <math>\alpha, \beta, \gamma</math> удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

где <math>\mu, \nu</math> удовлетворяют уравнению

<math>2\frac{d\mu}{du}=u\left(\frac{d\nu}{du}\right)^2.</math>

Метрика Переса

<math>ds^2=(dx^0)^2-(dx^1)^2-2\varphi(dx^0+dx^1)^2-(dx^2)^2-(dx^3)^2,</math>

при этом <math>\frac{\partial^2\varphi}{\partial{x^2}\partial{x^2}}+\frac{\partial^2\varphi}{\partial{x^3}\partial{x^3}}=0.</math>

Цилиндрические волны Эйнштейна — Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид

<math>ds^2=[(dx^0)^2-dr^2]e^{2\gamma-2\psi}-(dz^2)e^{2\psi}-r^2(d\varphi^2)e^{-2\psi}</math>

и выполняются

<math>\frac{\partial^2\psi}{\partial{x^0}^2}-\frac{1}{r}\frac{\partial\psi}{\partial{r}}-\frac{\partial^2\psi}{\partial{r}^2}=0,</math>

<math>\frac{\partial\gamma}{\partial{r}}=r\left[\left(\frac{\partial\psi}{\partial{r}}\right)^2+\left(\frac{\partial\psi}{\partial{x^0}}\right)^2\right],</math>

<math>\frac{\partial\gamma}{\partial{x^0}}=2r\frac{\partial\psi}{\partial{r}}\frac{\partial\psi}{\partial{x^0}}.</math>

Регистрация гравитационных волн

Шаблон:Main

Файл:Virgo Interferometer O4 diagram.png

Оптическая конфигурация детектора гравитационных волн Virgo во время научного запуска O4 (2023—2024 гг.)

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду их слабости (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие<ref>LIGO: A Quest for Gravity Waves. Шаблон:Wayback Astro Guyz March 12, 2010.</ref>.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651)<ref>Шаблон:Cite web</ref> и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров Шаблон:Nobr уменьшается примерно на Шаблон:Nobr Шаблон:Nobr в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам, наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹—10⁻²³. Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров — анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием гравитационных волн, проходящих через пространство между Землёй и пульсаром. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия<ref name="1304.3473">Шаблон:Статья</ref>.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной<ref name="Lipunov" />. В марте 2014 года в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:E-print</ref>. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад межзвёздной пыли. Один из авторов, Дж. М. Ковац (англ. Шаблон:Lang-en2), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились»<ref>Вселенная, Зельдович, Массандра Шаблон:Wayback.</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Интерференция гравитационных волн

Интерференция гравитационных волн — это явление, при котором когерентные гравитационные волны складываются в пространстве, рождая интерференционную картину с минимумами и максимумами гравитационной активности. Явление до сих пор (2025 г.) не наблюдалось.

Экспериментальные подтверждения

Открытие

Шаблон:Main

Файл:First gravitational waveform ever seen, PhysRevLett.116.061102.pdf

Шаблон:Начало скрытого блокаСлева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа — в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35—350 герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: амплитуды h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через Шаблон:Val мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: амплитуды h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосовой фильтр 35—350 Гц. Сплошная линия — результат численного моделирования в рамках ОТО для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии — области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказанного сигнала, численно смоделированного в рамках ОТО, из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты амплитуд, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.Шаблон:Конец скрытого блока

11 февраля 2016 года было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборациями LIGO и VIRGO<ref>Шаблон:Статья</ref>. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10⁻²¹ был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне, во втором из них через 7 миллисекунд после первого. В области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал/шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914<ref>Gravitational waves detected 100 years after Einstein’s prediction Шаблон:Wayback — на сайте Флоридского университета</ref>. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр c массами 36 и 29 масс Солнца; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 Шаблон:Lang-ref и параметр вращения Шаблон:Nobr. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда световых лет. Излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия — эквивалент около 3 солнечных масс<ref name=Abbot>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Благодаря практически одновременному наблюдению гравитационно-волнового события GW170817 и электромагнитного сигнала GRB 170817A впервые установлены прямые ограничения на отклонение скорости гравитационных волн от скорости света. Если такое отклонение существует, оно лежит в пределах от −3×10⁻¹⁵ до +0,7×10⁻¹⁵, то есть совместимо с нулём в пределах погрешности<ref name=apj>Шаблон:Статья</ref>.

За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике<ref name=nobel />.

Дальнейшие наблюдения

Первый период наблюдения (сезон O1) — с 12 сентября 2015 по 19 января 2016. В это время действовал только детектор LIGO, и он обнаружил три гравитационных всплеска. После этого инструмент был остановлен для усовершенствования и повышения чувствительности.

Второй период наблюдения (сезон O2) — с 30 ноября 2016 по 25 августа 2017; к обновлённому американскому LIGO присоединился европейский детектор VIRGO (третий детектор на планете), при этом точность возросла почти в 10 раз).

Четвёртое наблюдение было сделано 14 августа 2017<ref>Слияние двух дыр Шаблон:Wayback // Радио «Свобода», 21 окт 2018</ref>.

Всего за эти месяцы было обнаружено 8 событий, в том числе первое столкновение нейтронных звёзд.

Так, 17 августа 2017 один из двух детекторов LIGO зафиксировал небывало длинный — около 100 секунд — сигнал (позже выяснилось, что волну, искажённую шумами, увидел и второй детектор LIGO, а также и VIRGO); несколько секунд спустя мощную вспышку гамма-излучения заметили автоматические телескопы «Ферми» и «Интеграл». Благодаря такому богатому набору наблюдений удалось достаточно точно предсказать, где искать источник, и вскоре он был найден — столкновение двух нейтронных звезд (то есть килоновая) с массами 1,1 и 1,16 массы Солнца в 130 млн световых лет от нас, в созвездии Гидры<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

После этого оба детектора были вновь остановлены для модернизации.

Третий период наблюдения (сезон O3) — с апреля 2019 года.

В ноябре 2020 подведены итоги периода O3a: с 1 апреля по 1 октября 2019 (зарегистрированных событий: 39, рекордное количество); данные сезона O3b (1 ноября 2019 года — 27 марта 2020) на этот момент ещё обрабатывались.

Оба детектора были остановлены на очередную модернизацию, что должно было сделать их ещё более чувствительными; планировалось, что они возобновят работу в 2021 году.

Обнаружено столкновение GW190412 (апрель 2020) — одна из чёрных дыр имела массу 29,7 массы Солнца, а другая — 8,4 Шаблон:Lang-ref (это наименее массивная из всех обнаруженных на тот момент пар чёрных дыр); такое слияние также породило более продолжительный гравитационный сигнал<ref>Пойман необычный сигнал из дальнего космоса Шаблон:Wayback // 20 апреля 2020</ref>.

Полученные данные, помимо прочего, были использованы, чтобы с исключительной строгостью проверить общую теорию относительности Эйнштейна<ref>Открытия и рекорды: что третий сезон поиска гравитационных волн рассказал о чёрных дырах Шаблон:Wayback // Вести — Наука, 31 октября 2020</ref>.

Также планировалось обнаружить (проект Шаблон:Iw) оптические проявления источников гравитационных волн, детектированных с помощью Virgo и LIGO.

Научные перспективы

Гравитационно-волновая астрономия

По мнению американского астрофизика Лоуренса Краусса, если в будущем удастся измерить сигнатуру инфляционных гравитационных волн, это позволит существенно приблизить исследования к моменту Большого Взрыва, а также проверить инфляционную модель Вселенной и разрешить другие насущные проблемы теоретической физики и космологии Шаблон:Sfn.

Гравитонный лазер

Идея гравитонного лазера возникла в связи с появлением лазера и открытием гравитационных волн. Предполагается, что, в силу универсального принципа корпускулярно-волнового дуализма, существуют кванты гравитационного излучения гравитоны (со спином 2). Они, как и кванты электромагнитного излучения фотоны (со спином 1), являются бозонами. Следовательно, теоретически можно создать гравитонный лазер — устройство для гравитационного излучения, подобное лазеру для электромагнитного излучения<ref>Шаблон:Книга</ref><ref name="Bril">Шаблон:Книга</ref>. Предполагается, что в природе явление, подобное гравитонному лазеру, может существовать в окрестности чёрных дыр<ref>Шаблон:Cite doi</ref>. В настоящее время из-за чрезвычайной малости гравитационной постоянной генерация вынужденного гравитационного излучения не осуществлена. Обсуждаются лишь гипотетические возможные конструкции гравитационного лазера.

Связь на гравитационных волнах

Теоретически существует возможность использовать гравитационные волны для дальней беспроводной связи<ref name="Bril" />; этот принцип был запатентован советским учёным Шаблон:Nobr в 1972 году<ref>Авторское свидетельство СССР на изобретение № 347937 «Система передачи и приёма сигналов с помощью гравитационных волн» Шаблон:Wayback. Заявлено 02.III.1959. Опубликовано 11.X.1972.</ref>Шаблон:Sfn.

Идея создания установок для генерации и детектирования когерентных гравитационных волн в лабораторных условиях была выдвинута П. Н. Боголюбовым, А. Ф. Писаревым, Н. С. Шавохиной в 1981 году<ref name="Bogo">Шаблон:Книга</ref><ref name="Dubo">Шаблон:Книга</ref>.

Генерацию когерентных гравитационных волн мощностью несколько эрг/с можно осуществить, пропуская сквозь цилиндр длиной 10 м и диаметром несколько сантиметров, наполненный замороженным водородом или азотом, лучи лазера мощностью в тысячи мегаватт, двух частот, с разностью между ними, равной частоте молекулярных колебаний водорода. Молекулы водорода, колеблющиеся под воздействием электромагнитного поля лазерного излучения, будут испускать когерентные гравитационные волны<ref name="Bogo" /><ref name="Dubo" /><ref>Шаблон:Cite doi</ref>.

Для детектирования когерентных гравитационных волн можно использовать прозрачный диэлектрик, замороженный до температуры жидкого гелия, предварительно возбужденный лазерным излучением мощностью 1000 мегаватт. При прохождении сквозь него гравитационной волны электроны в молекулах диэлектрика одновременно перейдут в низшее состояние, излучая когерентное световое излучение с интенсивностью, позволяющей его регистрировать, с частотой, равной разности частот возбуждающего гравитационного излучения и гравитационной волны<ref name="Bogo" /><ref name="Dubo" />.

Преимуществом гравитационно-волновой связи (устар.: гравиосвязи) по сравнению с радиосвязью является способность гравитационных волн проходить, почти не поглощаясь, сквозь любые вещества, тогда как электромагнитные волны сквозь электропроводящие среды (например, землю и морскую воду) практически не проникают<ref name = "Grig">Шаблон:Книга</ref>.

Работы в этом направлении велись в лабораториях СССР и в других странах<ref name = "Grig"/>. Но на практике из-за трудностей генерации и детектирования гравитационных волн, вызванных крайней малостью гравитационных сил, гравитационно-волновую связь осуществить не удалось.

В настоящее время работы по генерации и детектированию гравитационных волн в лабораторных условиях находятся на теоретической стадии<ref>Шаблон:Книга</ref>. Изучаются возможности излучения гравитационных волн электродинамическими системами<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Выдвинута гипотеза о возможности генерации высокочастотных гравитационных волн в конденсированной диэлектрической среде под действием интенсивного лазерного излучения и обратного процесса детектирования гравитационных волн этой средой путём преобразования гравитационного излучения в оптическое (повторение эксперимента Герца для гравитационных волн)<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Гравитационно-волновая связь упоминается как атрибут техники далёкого будущего в ряде произведений научно-фантастической литературы (например, С. Снегов «Люди как боги», К. Булычёв «Похищение Тесея», С. Лукьяненко «Именем Земли» и др.).

Коллапс планетных и галактических систем

По мнению американского астрофизика Брайана Грина излучение гравитационных волн при движении различных космических объектов действует подобно трению и в долгосрочной перспективе приводит к коллапсу космических систем, таких как планетарные системы звёзд и галактикиШаблон:Sfn.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений, недоступных иными методами<ref>Шаблон:Книга</ref>.

1900 — Лоренц предположил, что гравитация «…может распространяться со скоростью, не большей скорости света»<ref>Шаблон:Статья</ref>;
1905 — Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (фр. onde gravifique). Пуанкаре на качественном уровне снял устоявшиеся возражения Лапласа<ref>Шаблон:Книга</ref> и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка <math>v/c</math> сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям<ref>Шаблон:Книга</ref>;
1916 — Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка <math>1/c^4</math> ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны)<ref>Шаблон:Публикация</ref>;
1918 — Эйнштейн вывел квадрупольную формулу<ref>Шаблон:Публикация</ref>, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка <math>1/c^5</math>, тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше<ref>Шаблон:Статья</ref>);
1923 — Эддингтон — поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются<ref>Шаблон:Книга</ref>;
1937 — Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»<ref>Шаблон:Публикация</ref>;
1957 — Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО
Затем это письмо описывает фейнмановский детектор гравитационных волн: это просто две бусинки, свободно скользящие (но с малым трением) по твёрдому стержню. Когда волны проходят через стержень, атомные силы оставляют длину стержня фиксированной, но соответствующее расстояние между двумя бусинками осциллирует. Таким образом, две бусинки трут стержень, выделяя в результате тепло.<ref>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>
1962 — Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>;
1964 — Филип Петерс и Шаблон:Нп3 теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами<ref name=LandauLifshitz >Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>;
1969 — Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора — механической гравитационной антенны<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении во многих странах. В частности, Райнер Вайсс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. Ни один из тогдашних опытов, однако, не подтвердил сообщение Вебера.
1978 — Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16<ref>Шаблон:Статья</ref>. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем<ref>Шаблон:Статья</ref>;
2002 — Сергей Копейкин и Шаблон:Нп3 произвели с помощью радиоволновой интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации — отличие от скорости света не должно превышать 20 %<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Книга</ref> (данная трактовка не общепринята<ref>Шаблон:Статья</ref>);
2006 — международная команда Шаблон:Нп5 (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B<ref>Шаблон:Статья</ref>;
2014 — астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (эксперимент BICEP2) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения<ref name="elementy-9300">Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. Впоследствии было признано, что обнаруженные флуктуации не имеют реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике<ref name="elementy-9300" />;
2016 — международная коллаборация LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями <math>(v/c > 0,5),</math> что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона Шаблон:S, если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать<ref name="1304.3473"/><ref name=Abbot/>.
2017 — впервые зарегистрирован гравитационно-волновой всплеск сопровождаемый электромагнитным излучением, произошедший в результате слияния двух нейтронных звёзд (GW170817).
2019 — впервые зарегистрирован гравитационно-волновой всплеск, произошедший в результате слияния нейтронной звезды и чёрной дыры (S190426c).

См. также

Шаблон:Кол

Открытие гравитационных волн
Список наблюдений гравитационных волн
Численная относительность
DECIGO
PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
TOBA