Гравитационные волны в ранней Вселенной

Напомним основные этапы развития Вселенной. Около 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной с сингулярного состояния. Первая стадия соответствовала времени меньше одной секунды 0=10^-35 с). Энергия частицы в этот момент была значительно больше тех энергий, которые сейчас удается получить на крупнейших ускорителях мира. Именно в этой первой стадии — стадии «ранней Вселенной» — и формировались те начальные условия, которые потом повлияли на дальнейшую эволюцию Вселенной. Следующая после первой стадии фаза развития Вселенной—эпоха радиационно-доминированной плазмы. Она закончилась через 100 тыс. лет. Наиболее важным процессом, характерным для этой стадии, были аннигиляция античастиц и нуклеосинтез. Третий период начинался, когда электроны и протоны образовали нейтральный водород, необходимый для формирования наблюдаемой сейчас структуры Вселенной.

Помимо электромагнитных волн носителями информации о тех далеких событиях могут служить и гравитационные волны. Гравитоны — гипотетические кванты гравитационного поля — способны переносить энергию и импульс, а следовательно, служить источником информации о свойствах вещества. В отличие от фотонов—квантов электромагнитного излучения — гравитоны чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом и почти не поглощаются. Эти свойства гравитационных волн особенно важны для космологии, так как благодаря им несут «чистую» информацию о самых ранних стадиях развития| Вселенной. С другой стороны, эти же свойства гравитонов вызывают те трудности, с которыми столкнулись ученые в своих попытках обнаружить гравитационные волны.

Большое внимание к гравитационным волнам было привлечено в 1969 году, когда поступило сообщение Дж. Вебера (США) об открытии импульсов гравитационного излучения от центра Галактики. Почти 20 лет пытаются ученые найти гравитационные импульсы от коллапса, взрывов сверхновых звезд, но до сих пор безрезультатно Гравитационное излучение было открыто случайно—это произошло после того, как астрономы обнаружили двойной пульсар (он был открыт в 1974 году). В результате десятилетних наблюдений удалось выявить, что период двойной системы, в которой один из компонентов — пульсар, убывает. Он уменьшается потому, что система теряет энергию из-за гравитационного излучения.

Темп замедления периода обращения в точности совпадает с тем, что предсказывает общая теория относительности. Так родилась гравитационно-волновая астрономия. Основная задача ее—наблюдение прямого воздействия гравитационно-волнового излучения на детекторы. Только после этого гравитационно-волновая астрономия прочно займет свое место среди экспериментальных методов познания Вселенной. Другая проблема, которую должна решить новая наука, как мне кажется,—это исследование гравитационно-волнового шума, то есть гравитационных стохастических (случайных) волн, дошедших до нас от самых ранних стадий эволюции Вселенной. Поскольку гравитоны доходят до нас без искажений от эпох, когда температура составляла сотни миллионов градусов (что соответствует энергии 10¹⁶ ГэВ), то изучение таких гравитационных волн станет одновременно и мощным инструментом для исследований физики элементарных частиц вплоть до энергий 10¹⁶ ГэВ.

Самые мощные существующие и проектируемые ускорители позволят изучать область энергий, не превышающих 10⁴ ГэВ. Другими словами, изучение стохастических гравитационных волн надолго останется почти единственным инструментом для физики элементарных частиц. Изменение орбитального периода двойного пульсара PSR 1913+16 вследствие гравитационного излучения. Это излучение приводит к потере кинетической энергии движения пульсара, к его эффективному торможению

Как возник он в ранней Вселенной? Какие параметры имеет сейчас? Какой его частотный диапазон особенно важен для нас? Вот те вопросы, на которых мы остановимся. Слово «реликтовый» пришло в астрономию из палеонтологии. В ней это слово обозначает животное или растение, жившее в доисторическую эпоху. В астрономии термин «реликтовое излучение» относится к излучению, идущему от эпох, предшествующих стадиям образования галактик и звезд. В этом контексте слова «реликтовые гравитационные волны» уместны, поскольку они обозначают излучение, идущее от эпохи зарождения Вселенной. Если бы мы могли «видеть» гравитоны, то обнаружили бы, что к нам с разных сторон приходит примерно равное число гравитонов, причем число их в каждый промежуток времени случайно. Если фон гравитационных волн изотропен, то нам покажется, что мы помещены в центр равномерно «освещенной» сферы. В случае же анизотропного фона (когда свойства гравитационного излучения зависят от того направления, куда «смотрит» наблюдатель) мы «увидим» на сфере причудливые узоры. Частота этого фона, если пользоваться обычными терминами, соответствует «цвету» сферы, хотя, конечно, в отличие от электромагнитного видимого спектра излучения, где принимаемые фотоны имеют диапазон шириной в несколько сот мкм, диапазон гравитонов значительно шире. Длина волны самых низкочастотных гравитонов сравнима с современным горизонтом Вселенной (Земля и Вселенная, 1985, № 1, с. 74.—Ред.), то есть 10^-28 см, а самые коротковолновые гравитоны могут иметь планковскую длину волны (А=10 ^-33 см). Запись детектора гравитационных волн будет похожа на запись случайного дрожания луча на экране осциллографа, причиной которого могут быть, например, тепловые флуктуации в электронных цепях.

О ЧЕМ МОЖЕТ «РАССКАЗАТЬ» ЧАСТОТА ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНЫ?

В процессе расширения Вселенной частота гравитационной волны и ее амплитуда постоянно изменяются. Частота всегда уменьшается. Но амплитуда может 'как расти, так и уменьшаться. Однако есть момент, начиная с которого амплитуда волны только уменьшается. Это момент, когда длина волны и размеры горизонта частиц во Вселенной равны. Момент характеризует причинно-связанные области нашего мира. Его величина есть примерно сt, где с—скорость света, а t—время, прошедшее с момента Большого взрыва. Области, разделенные расстояниями, много большими, чем ct, еще не успели за время ( обменяться сигналами, то есть вступить во взаимодействие. Значит, событие, происшедшее в каком-либо месте, не может иметь причиной событие, которое произошло на расстоянии 10 ct от него. Именно это и заставляет говорить о размерах причинно-связанных областей или горизонте частиц. После того, как длина волны становится меньше горизонта частиц, амплитуда волны только падает.

Приведенные выражения дают нам связь между частотой волны и температурой эпохи Т, характеристики которой гравитационные волны «запоминают». Благодаря современным детекторам, работающим на частотах около 1 кГц, можно изучать состояние Вселенной при температурах 10¹¹ ГэВ. Характеристики именно этой плазмы «запомнили» гравитоны. Правда, в этом случае детектор должен обладать чрезвычайно высокой чувствительностью к гравитационно-волновому фону.

СВЕРХАДИАБАТИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

В ранней Вселенной могли действовать два основных механизма, приводящих к образованию стохастического гравитационно-волнового фона. Первый — сверхадиабатическое усиление гравитационных волн. Этот механизм (он был предсказан Л. П. Грищуком) приводит к усилению реально существующих волн или рождению гравитонов из вакуума. В физик» такой механизм носит название параметрического возбуждения колебаний. В обычном механическом осцилляторе он работает при определенных соотношениях между частотой собственных колебаний системы (йо) и частотой изменения параметра ((Од). Наиболее благоприятное условие для возбуждения колебаний, когда С0п=2(0о. Именно этот механизм мог бы вызывать усиление гравитационных волн. Однако, чтобы он работал, необходимо выполнение условия; величина плотности энергии плазмы в ранней Вселенной (в) не должна равняться утроенному давлению (3р). Но самое естественное состояние горячей плазмы в ранней Вселенной есть именно равенство е==3 р (это радиационно-доминиро-ванное уравнение горячей плазмы). Исключением на этой стадии эволюции Вселенной, вероятно, могут быть другие виды состояния плазмы, такие, например, когда в ней преобладает пыль и, следовательно, давление значительно меньше, чем полная плотность энергии.

Из теории известно, что начиная с некоторого минимального радиуса расширение Вселенной стремилось идти по экспоненциальному закону (аналогично росту цен с постоянной годичной скоростью инфляции). Отсюда «инфляционная стадия». Давление в ту эпоху было отрицательным, другими словами, давление газа не расталкивало окружающее вещество с меньшим давлением, а, скорее, внутренние напряжения 'стремились «схлопнуть» вещество, а котором они развились. Подобное состояние приводит к различным замечательным следствиям и позволяет решать многие проблемы классической фрид-мановской космологии (Земля и Вселенная, 1985, № 1, с. 74.—РеДг). Самым же важным следствием инфляционной стадии является то, что во время ее образуется значительный гравитационно-волновой фон. в наше время он обладает чрезвычайно широким спектром—от 1 ГГц до 10-¹⁷ Гц. Амплитуда Ьд каждой волны в момент равенства длины волны и размеров горизонта приблизительно 10~^-5. В дальнейшем эти волны могут усиливаться на других стадиях, например на стадии высокотемпературного бариосинтеза. Ученые считают, что в эволюции Вселенной был период, когда в плазме активно рождалось вещество, в то время как процесс возникновения антивещества был подавлен. Этот период называется бариосинтезом. (Период получил название по аналогии с эпохой нуклеосинтеза — временем, когда во Вселенной из первичного водорода «варились» легкие элементы). Высокотемпературный бариосинтез связан с обильным образованием тяжелых нестабильных частиц, присутствие которых влияло на состояние горячей плазмы и вызывало усиление гравитонов, «рожденных» на инфляционной стадии.

Второй механизм генерации гравитационных волн — нестационарная доменная стадия в ранней Вселенной. Слово «доменная» подразумевает, что Вселенная разбита на отдельные области, характеризуемые разными значениями одного параметра. В данном случае такой параметр — направление анизотропного натяжения. Этот параметр связан с одним из фундаментальных свойств Вселенной — барионной асимметрией, то есть состоянием, когда во Вселенной в основном находится вещество, а антивещество не наблюдается. Барионная асимметрия могла возникнуть на самой ранней стадии развития Вселенной, когда возраст ее был ~10 ~^-34 с, а температура превышала 10²⁷ К. Тогда избыток вещества над антивеществом образуется при температурах примерно 10 ¹⁴ ГэВ. Но, как выяснили В. А. Руба-ков, В. А. Кузьмин и М. Ф. Шапошников, такой процесс мог проходить и при более низких температурах—104 ГэВ. При такой температуре происходит разделение взаимодействий. Выше этой температуры—слабые взаимодействия, связанные с обменом частицами '^/± и 2^°-бозонами, неотличимые от электромагнитных взаимодействий. А ниже этой температуры они разделяются. В некотором промежутке температур образуются домены с сильным неоднородным полем слабых взаимодействий. Причинно-связанные области во Вселенной при температуре 10⁴ ГэВ имеют размер порядка 10^-3 см. Частицы, разделенные расстоянием, которое значительно больше, чем 10^-3 см, ничего «не знают» друг о друге. Поэтому направление вектора квазимагнитного поля в разных доменах разное, что приводит к анизотропному давлению. Случайность направления анизотропного давления и нестационарность доменной стадии приводят к образованию гравитационно-волнового фона, который обладает всеми характеристиками случайного поля. Средняя частота такого фона сейчас должна составлять 10 ^-4 Гц, а его амплитуда — 10^-20.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРАВИТАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В наше время разработаны и действуют детекторы для частотного диапазона в 1 кГц, (Москва, Стэнфорд, Перт и т. д.). Действие гравитационных волн на излучение пульсаров приводит к «растяжению» и «сжатию» расстояний между импульсами. Для радиоастронома это равносильно изменению времени прихода импульсов на телескоп. Трудность поиска гравитационных волн в низкочастотных областях 10~⁴ Гц и 10~⁸ Гц заключается в том, что необходимо иметь две «пробные частицы». Если период искомых волн порядка 3 лет, то и пробные частицы должны находиться на расстоянии трех световых лет. В качестве таких детекторов можно использовать астрономические объекты, например пульсары. Ведь они источники электромагнитных импульсов, которые прежде чем попасть в земные радиотелескопы проходят поистине астрономические расстояния, вплоть до нескольких тысяч световых лет. Значит, два импульса одного пульсара можно считать «пробными частицами», которые пригодны для детектирования долгопериодических гравитационных волн.

Гравитационное излучение пронизывает все пространство и, в частности, траекторию «пульсар—Земля». Вообще гравитационная волна—это результат изменения свойств пространства и времени. Волна воздействует на импульсы, изменяя расстояние между ними, что для радиоастронома, наблюдающего за пульсаром, эквивалентно изменению прихода импульсов. Волна с амплитудой 10~¹⁵ приводит к смещению импульсов, отстоящих Друг от друга на расстоянии 3 года, на добавочное время примерно в 100 наносекунд. Но сейчас заметить это смещение пока нельзя — не хватает точности земных часов. Чтобы зарегистрировать такие тонкие эффекты, неоЬходимо построить новую шкалу времени, основанную на миллисекундных пульсарах. Именно такие пульсары должны стать стандартными часами—на длительных промежутках времени их точность выше точности земных часов.

Диапазон 10~⁴ Гц соответствует расстояниям порядка нескольких астрономических единиц. Здесь в качестве пробных частиц способны выступать аппараты, созданные руками человека. И проект детектора для этого диапазона частот уже есть. Три космических аппарата, выведенных на орбиту вокруг Земли или вокруг Солнца, могут служить пробными частицами. Итак, препятствий, стоящих на пути наблюдения гравитационно-волнового шума от ранней Вселенной, очень много. Но их нужно преодолеть, чтобы глубже исследовать физические процессы в ранней Вселенной.

Авторство, источник и публикация:
Автор - Кандидат физико-математических наук М.В. Сажин. Рисунки А. Брюханова.
Жунрал "Земля и Вселенная" № 6 за 1988 год
1. Выпуск проект 'Астрогалактика'. Подготовка в электронном виде - Козловский А.
2. Публикация проекта 22.03.2008