Гравитационные волны (ГВ) представляют собой возмущения кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. В отличие от электромагнитных волн, их взаимодействие с обычным веществом чрезвычайно слабо. Это обусловлено тем, что гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, а масса и плотность атомов недостаточны для значительного эффекта на распространяющиеся волны. Тем не менее, в астрофизических и космологических масштабах поглощение и рассеяние ГВ может проявляться в наблюдаемых эффектах.
Механизм поглощения Поглощение ГВ связано с передачей энергии волны материалу, через который она проходит. Основные процессы:
Взаимодействие с веществом через тензорное напряжение Гравитационные волны воздействуют на все массы, вызывая слабые деформации длины. В линейной аппроксимации изменения геометрии пропорциональны амплитуде волны и величине тензора напряжений среды:
δL/L ∼ h,
где h — амплитуда ГВ (обычно h ∼ 10−21 для наблюдаемых волн).
Резонансное поглощение Если частота волны совпадает с собственной частотой колебаний тел (например, нейтронных звезд), энергия волны может частично передаваться колебательным модам. В моделях звезд и планет это рассматривается через механический отклик среды на периодическое возмущение.
Влияние плотной плазмы и газа Внутри высокоплотных объектов (нейтронные звезды, аккреционные диски) эффект поглощения усиливается за счет увеличенной плотности, однако даже в этих условиях поглощение остается крайне слабым: коэффициенты поглощения α ∼ 10−15 − 10−20.
Энергетические соотношения Мощность, поглощаемая материалом:
$$ \frac{dE}{dt} = \alpha \, \rho \, c \, A^2, $$
где ρ — плотность среды, A — амплитуда волны, α — коэффициент взаимодействия. В реальных условиях наблюдаемые потери энергии ничтожны по сравнению с исходной мощностью ГВ.
Общие принципы Рассеяние ГВ описывается уравнениями линейной гравитационной теории на фоне искривленного пространства. Основные моменты:
Гравитационное рассеяние на массивных объектах Волны отклоняются вблизи черных дыр, нейтронных звезд, массивных планет. Процесс аналогичен гравитационному линзированию фотонов, но с учетом волновой природы:
$$ \theta \sim \frac{4 G M}{c^2 b}, $$
где M — масса рассеивателя, b — параметр расстояния, G — гравитационная постоянная.
Волновые эффекты (дифракция и интерференция) При прохождении через неоднородности плотности и массивные тела волны испытывают дифракцию. Волновая оптика для ГВ учитывает фазовые сдвиги, приводящие к интерференционным картам интенсивности, аналогично интерференции света, но с масштабом килопарсек.
Когерентное рассеяние на крупномасштабной структуре Вселенной ГВ, проходящие через космическую сеть (темная материя, галактические скопления), испытывают многоразовое рассеяние, что может приводить к слабому ослаблению и смещению фазовых фронтов. Это учитывается при моделировании стохастического гравитационного фона.
Формализм рассеяния Для слабого рассеяния используется приближение Бора-Ремана:
hscattered(r) = ∫Gret(r − r′)Tij(r′) d3r′,
где Gret — ретардированная гравитационная функция Грина, Tij — тензор энергии-импульса рассеивателя.
Красное смещение и ослабление амплитуды При прохождении через плотные структуры волна теряет энергию частично за счет рассеяния и поглощения. Эффект мал, но может приводить к наблюдаемым коррекциям спектра при моделировании космологического стохастического фона.
Поляризационные эффекты Рассеяние на анизотропной среде может изменять соотношение поляризаций «+» и «×», что теоретически может использоваться для изучения внутренней структуры объектов, через которые проходит волна.