Гравитационные волны: гидродинамические и астрофизические аспекты

Термин «гравитационная волна» используется в двух различных научных контекстах, которые важно различать. В гидродинамике он относится к волнам, генерируемым в текучей среде или на границе раздела двух жидкостей разной плотности, например, воздуха и воды. В астрофизике и общей теории относительности под гравитационными волнами (англ. gravitational waves) понимают рябь в пространстве-времени, создаваемую ускоряющимися массами. Обе концепции играют фундаментальную роль в своих областях, однако представляют собой физически разные явления, что требует четкого разграничения при изучении.

Гидродинамические гравитационные волны. В гидродинамике гравитационные волны возникают, когда участок жидкости на границе раздела двух сред с различной плотностью смещается вертикально. Сила тяжести действует как восстанавливающая сила, возвращая этот участок к положению равновесия, что порождает колебательное движение – волну. Классическим примером поверхностных гравитационных волн служат волны на поверхности океана, создаваемые ветром. Если такие волны формируются на внутренних границах плотности в океане или атмосфере – например, между слоями с разной температурой или солёностью – их называют внутренними гравитационными волнами.

Передача энергии от ветра к поверхности океана приводит к генерации поверхностных гравитационных волн через два основных механизма. Первоначально на гладкой поверхности моря турбулентный ветер создаёт флуктуации напряжений – как параллельных, так и перпендикулярных поверхности. Когда частоты этих напряжений совпадают с собственной частотой и волновым числом поверхности, возникает резонансный отклик, и появляются волны малой амплитуды (механизм Филлипса). Резонанс – это явление, при котором система колеблется с максимальной амплитудой на определённых частотах, что позволяет эффективно накапливать энергию волн.

После того как начальная «шероховатость» поверхности установлена, включается второй механизм – механизм Майлза. Волны начинают взаимодействовать с турбулентным воздушным потоком в критическом пограничном слое, где фазовая скорость волны равна средней скорости потока воздуха. В результате энергия ветра эффективно передаётся волнам, и их амплитуда продолжает расти до тех пор, пока ветер не стихнет или не закончится доступное время разгона (расстояние, на которое ветер дует над водной поверхностью без изменения направления). Эти процессы подробно описаны в классической монографии А. Е. Гилла «Гравитационные волны: динамика атмосферы и океана» (1982).

Роль гравитационных волн в атмосфере. Гравитационные волны в атмосфере играют решающую роль в передаче импульса из тропосферы – нижних 6–7 миль (9,7–11 км) – в мезосферу, расположенную на высоте 31–53 мили (50–85 км). Они обычно образуются в результате взаимодействия воздушных масс с погодными фронтами, струйными течениями и при обтекании горных хребтов (так называемые орографические волны). На низких высотах атмосферные гравитационные волны могут проявляться в виде волнистых облачных полос и вызывать лишь небольшие изменения средней скорости ветра.

Однако по мере распространения вверх, в менее плотные слои атмосферы, амплитуда этих волн увеличивается – из-за сохранения потока энергии в разреженной среде. В конце концов волны становятся неустойчивыми и разбиваются, подобно океанским волнам, набегающим на береговую линию. Этот процесс разрушения передаёт значительный импульс и энергию среднему потоку мезосферы, влияя на её циркуляцию и температурную структуру. Поэтому учёт гравитационных волн необходим для точного моделирования динамики средней атмосферы, включая такие явления, как внезапные стратосферные потепления.

Гравитационные волны в общей теории относительности. В контексте общей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, гравитационные волны предсказываются как возмущения кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Любая ускоряющаяся масса с квадрупольным моментом (то есть не обладающая сферической или осевой симметрией) должна излучать такие волны, создавая рябь в ткани пространства-времени. Поскольку гравитация чрезвычайно слаба по сравнению с электромагнетизмом, ожидаемые искажения ничтожно малы: даже для таких массивных объектов, как сливающиеся галактики, амплитуда гравитационной волны в районе Земли меньше диаметра атомного ядра. На протяжении десятилетий прямое обнаружение оставалось труднодостижимой экспериментальной задачей.

Тем не менее, косвенные доказательства существования гравитационных волн были получены достаточно рано. Наблюдения двойного пульсара PSR B1913+16, выполненные Расселом Халсом и Джозефом Тейлором, показали, что скорость сокращения орбиты двух нейтронных звёзд точно соответствует потере энергии, предсказанной излучением гравитационных волн. Это открытие принесло учёным Нобелевскую премию по физике и стало убедительным косвенным подтверждением теории Эйнштейна.

Прямое детектирование и современная астрономия. Прямое детектирование гравитационных волн потребовало создания сверхчувствительных приборов – лазерных интерферометров. Крупнейшие наземные обсерватории, такие как LIGO (США) и Virgo (Европа), используют интерферометры Майкельсона с плечами длиной несколько километров. Они способны регистрировать относительные изменения длины плеч порядка 10⁻²¹ – это эквивалентно измерению расстояния до ближайшей звезды с точностью до толщины человеческого волоса.

В оригинальном тексте, опубликованном Центром гравитационно-волновой астрономии Техасского университета в Браунсвилле (10 октября 2008 г.), отмечалось, что прямых открытий ещё не сделано. Однако уже 14 сентября 2015 г. детекторы LIGO впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр – событие GW150914. С тех пор были зафиксированы десятки подобных событий, включая слияние нейтронных звёзд GW170817, которое также наблюдалось в электромагнитном диапазоне. Сегодня гравитационно-волновая астрономия является полностью установившейся областью науки, открывшей новое «окно» во Вселенную, позволяющее изучать чёрные дыры, нейтронные звёзды и даже раннюю Вселенную.

Дополнительные источники: Центр гравитационно-волновой астрономии. Техасский университет в Браунсвилле. URL: http://cgwa.phys.utb.edu/ (опубликовано 10 октября 2008 г.); Гилл А. Е. Гравитационные волны: динамика атмосферы и океана. Нью-Йорк: Academic Press, 1982.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.