2.8 Гравитационное излучение

Известно, что электромагнитное взаимодействие квантуется. Существуют частицы -- кванты, которые переносят это взаимодействие. Луч света состоит из фотонов -- $\gamma$-квантов. Эйнштейн хотел написать общую теорию взаимодействия, которая бы объединила бы все известные типы взаимодействия в одно. Следовательно, логично было бы предположить, что существует некая частица, которая переносит гравитационное взаимодействие. Следовательно, если есть кванты взаимодействия, то есть и гравитационное излучение. Очень заманчиво научится делать приемники, которые улавливают это излучение, так как в этом случае мы получили бы еще один инструмент изучения Вселенной.

Попытки создать подобный приемник не увенчались успехом, что не удивительно, слишком уж гравитационное взаимодействие слабое.

Существуют другой, косвенный, метод проверки гипотезы о существовании гравитационного излучения. В великолепном учебнике [4], написанном Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицом, в параграфе 110 Излучение гравитационных волн была предложена и разобрана задача:

Задача: Два тела, притягивающиеся по закону Ньютона, движутся по круговым орбитам (вокруг их общего центра инерции). Определить среднюю (по периоду обращения) интенсивность излучения гравитационных волн.

Если предположить, что такой объект существует, то из-за потери энергии на гравитационное излучение происходит постепенное (как говорят вековое) сближение тел, а следовательно и частоты вращения. То есть скорость изменения частоты вращения двойной звезды со временем равна:

$$\frac{d\omega}{dt} \frac{1}{\omega}=\frac{96G^{3}m_{1}m_{2}(m_{1}+m_{2})} {5c^{5}r^{4}},$$ (10)

где $\omega$ -- угловая частота вращения двойной системы вокруг общего центра масс, G -- гравитационная постоянная, m₁ и m₂ -- массы вращающихся тел, r -- расстояние между телами.

Зависимость очень нетривиальная. Если она верна, то это сильный довод в пользу существования гравитационных волн.

Несколько лет назад были опубликованы результаты (Тэйлор и Кол -- они получили за это Нобелевскую премию) наблюдения одного астрофизического объекта (изучение движения пульсара PSR 1913+16 в двойной системе). Объект представлял из себя систему двойной звезды. Партнеры в этой системы очень сильно отличались друг от друга (в паре есть пульсар). За этим объектом велись наблюдения в течении 14 лет (1975-89) -- он был очень хорошо изучен. Было обнаружено, что со временем период вращения уменьшается. Результаты были обработаны и полностью (с точностью до 1%) совпали с теорией (скорость изменения угловой частоты вращения полностью совпала с результатом формулы (10)). При опубликовании результатов авторы ссылались на задачу в учебнике Ландау -- Лифшица. Вся теория была взята именно оттуда. На данный момент ведется очень активный поиск подобных объектов (по крайней мере. найдено еще два подобных объекта).