Гравитационно-волновая астрономия представляет собой область современной физики и астрономии, изучающую излучение гравитационных волн и его взаимодействие с объектами Вселенной. В отличие от традиционной астрономии, основанной на электромагнитном излучении, данный подход позволяет исследовать события, которые остаются невидимыми в оптическом, рентгеновском или радио диапазонах, включая слияния компактных объектов и процессы, происходящие в ранней Вселенной.
Гравитационные волны представляют собой возмущения метрики пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Они возникают при ускоренном движении массивных тел, особенно при асимметричных ускорениях. Теоретически их существование предсказано в рамках общей теории относительности, а экспериментальное подтверждение получено с помощью детекторов LIGO и Virgo в XXI веке.
Гравитационные волны описываются в рамках линейного приближения общей теории относительности. Рассмотрим метрику пространства-времени gμν как сумму метрики плоского пространства ημν и малой возмущающей компоненты hμν:
gμν = ημν + hμν, |hμν| ≪ 1
В линейном приближении уравнения Эйнштейна сводятся к волновому уравнению для тензора возмущения:
$$ \Box h_{\mu\nu} = -\frac{16\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$
где □ — оператор Д’Аламбера, Tμν — тензор энергии-импульса, G — гравитационная постоянная, c — скорость света. В области, свободной от источников, уравнение принимает вид □hμν = 0, что описывает распространение свободных гравитационных волн.
Тензор hμν характеризуется двумя независимыми поляризациями, обычно обозначаемыми как h+ и h×. Эти поляризации определяют тип возмущений расстояний между тестовыми массами в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Основными источниками гравитационных волн являются системы с сильно ускоряющимися массивными телами. К ним относятся:
Интенсивность излучения определяется четвертым моментом массы системы Qij:
$$ h_{ij}^\text{TT} \sim \frac{2G}{c^4 r} \frac{d^2 Q_{ij}}{dt^2} $$
где r — расстояние до наблюдателя, а верхний индекс TT указывает на проекцию на трансверсально-трасверсальную компоненты.
Наиболее развитым методом обнаружения гравитационных волн являются лазерные интерферометры (LIGO, Virgo, KAGRA). Принцип работы основан на измерении изменений длины двух взаимно перпендикулярных плеч интерферометра под действием проходящей гравитационной волны. Изменение длины малой величины ΔL/L ∼ 10−21 требует сверхточной стабилизации лазера и изоляции от сейсмических и термических шумов.
Ранние эксперименты использовали массивные металлические цилиндры, настроенные на резонанс с ожидаемыми частотами волн. При прохождении волны цилиндр испытывает деформацию, измеряемую пьезоэлектрическими датчиками.
Проекты типа LISA предполагают использование межспутниковых лазерных интерферометров с длиной плеч в миллионы километров. Это позволяет исследовать низкочастотные волны, недоступные наземным установкам.
Гравитационно-волновые сигналы чрезвычайно слабы, поэтому их выделение требует методов корреляции с теоретическими шаблонами (matched filtering). Важнейшие характеристики сигнала:
Анализ многодетекторных сигналов позволяет локализовать источник на небе с точностью от десятков до единиц квадратных градусов.
Гравитационно-волновая астрономия открывает уникальные возможности для изучения:
Ключевым аспектом является возможность тестирования фундаментальных принципов общей теории относительности в сильнополевых условиях и на больших космологических расстояниях.