Земной шар как обсерватория: можно ли ловить гравитационные волны геомагнитным полем?

Магнитное поле Земли может послужить ловушкой для гравитационных волн, пришедших из глубин космоса. В теории гигантская обсерватория способна уловить волны, недоступные никаким другим детекторам. Эти волны пролили бы свет на первые мгновения жизни Вселенной и позволили лучше изучить катастрофические столкновения черных дыр. Все благодаря эффекту, открытому нашим соотечественником Михаилом Евгеньевичем Герценштейном в 1962 году.

Можно ли воплотить эту идею в ближайшие годы или хотя бы десятилетия? Ответ на этот вопрос искали китайские физики на страницах престижного журнала Physical Review Letters.

Отзывы об этой статье лучатся оптимизмом. Обозреватель журнала Nature Astronomy назвал исследование «интригующим доказательством концепции». Пресс-релиз Гонконгского университета науки и технологий пестрит громкими словами: «Инновационный подход команды может обеспечить успешное обнаружение высокочастотных гравитационных волн за счет использования существующих и технологически осуществимых астрономических телескопов в магнитосферах планет, открывая новые возможности для изучения ранней Вселенной и экстремальных космических событий эффективным и технически жизнеспособным способом».

Что и говорить, звучит заманчиво. Ведь высокочастотные гравитационные волны, в отличие от средне- и низкочастотных, недоступны никаким действующим и даже проектируемым детекторам.

Вот только внимательное чтение научной статьи китайских физиков несколько убавляет оптимизма. Постараемся отделить строгую физику от научной фантастики.

Космос волнуется

Начнем с того, что такое гравитационные волны. Общая теория относительности (ОТО) учит нас, что гравитация — это искривление пространства-времени. Другими словами, всякое тело искривляет пространство-время вокруг себя. Но это не все. Пусть тело движется с ускорением, и это ускорение меняется. Примером может служить яблоко, летевшее с ускорением свободного падения и вдруг ударившееся о землю.

Согласно уравнениям ОТО, переменное ускорение порождает волны на пространстве-времени — те самые гравитационные волны. Очень грубо можно сравнить их с волнами на воде от брошенного камня. Гравитационные волны распространяются от источника во все стороны со скоростью света.

Гравитационные волны буквально раскачивают пространство: расстояние между фиксированными точками ритмично меняется. Но это изменение столь мало, что его почти невозможно обнаружить. Только самые грандиозные космические катаклизмы, такие как столкновения черных дыр или нейтронных звезд, порождают сравнительно мощные волны.

Что значит «сравнительно мощные»? Размах гравитационной волны удобно характеризовать относительной деформацией (characteristic strain). Обозначим ее буквой δ. Пусть два неподвижных тела разнесены на расстояние L. Тогда под действием гравитационной волны расстояние между ними будет составлять то L+δL, то просто L, то L-δL, и так по кругу. Для гравитационных волн, улавливаемых детекторами LIGO и VIRGO, типичная относительная деформация составляет от 10^-21 до 10^-22. То есть при километровом расстоянии между телами смещение будет в тысячи раз меньше радиуса протона. Детекторы, способные уловить такие смещения, — настоящее чудо инженерной мысли.

Для регистрации волны важна не только ее амплитуда, но и частота, то есть количество колебаний в секунду. Детекторы LIGO и VIRGO фиксируют волны с частотой от десятков герц до килогерц. Другими словами, новый гребень волны проходит через прибор каждую десятую-тысячную долю секунды. Это примерно диапазон частот обыкновенного звука. Именно такие гравитационные волны впервые обнаружили в 2015 году. С тех пор их наблюдение стало отработанной практикой.

В 2023 году астрономы зафиксировали волны сверхнизких частот в несколько наногерц. Это означает, что следующего гребня волны нужно ждать годы или даже десятилетия, хотя волна движется со скоростью света. Ученые использовали в качестве природного детектора далекие от Земли нейтронные звезды.

Из теории следует, что гравитационные волны бывают любой частоты: хоть мегагерцы, хоть септиллионы герц. Поймать такие волны было бы очень интересно. Например, реликтовые гравитационные волны высоких частот несут информацию о том, какой была Вселенная спустя ничтожные доли секунды после Большого взрыва. Для сравнения: химический состав галактик позволяет заглянуть всего лишь в первые минуты жизни Вселенной, а реликтовое радиоизлучение — в первые сотни тысяч лет.

Проблема в том, что никто пока не придумал, как ловить высокочастотные гравитационные волны. Хотя, конечно, у исследователей есть идеи. Возможно, самую плодотворную из них предложил советский физик Герценштейн.

Гений на гребне волны

Герценштейн — знаковая фигура в изучении гравитационных волн. В далеком 1962 году он предложил принципиальную схему детектора гравитационных волн (в соавторстве с Владиславом Ивановичем Пустовойтом). Именно эта схема была воплощена в детекторе LIGO, который помог обнаружить первую гравитационную волну в 2015 году. К сожалению, Михаил Евгеньевич не дожил до этого открытия.

В том же 1962-м Герценштейн опубликовал статью «Волновой резонанс электромагнитных и гравитационных волн». Напомним, к электромагнитным волнам относятся, в порядке возрастания частоты, радиоволны, инфракрасные волны, свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи.

Решив уравнения ОТО, физик теоретически предсказал любопытное явление. Допустим, электромагнитная волна распространяется через магнитное поле. Она породит слабую гравитационную волну той же частоты, отдав ей небольшую часть своей энергии. Это явление позже назвали эффектом Герценштейна.

Обычно астрономы не учитывают этот эффект, поскольку он очень слаб. Например, в Солнце хватает и электромагнитного излучения, и магнитных полей. Но потери энергии на излучение гравитационных волн так малы, что ими можно пренебречь практически в любой задаче.

Классик заканчивает статью словами: «Из Общей теории относительности следует также возможность обратного преобразования гравитационных волн в электромагнитные волны, но вряд ли эта проблема представляет интерес».

Однако на рубеже веков именно обратный эффект Герценштейна весьма заинтересовал физиков. Пусть через магнитное поле проходит гравитационная волна частотой, скажем, 100 мегагерц. Она породит радиоволну той же частоты. Возникшая из ниоткуда радиоволна сигнализирует: здесь проходит гравитационная волна частотой в 100 мегагерц! Гравитационные волны еще более высоких частот породят инфракрасные, световые и прочие волны.

Получается, стоит всего лишь поместить в магнитное поле радиоприемник с антенной — и готов детектор гравитационных волн частотой в мега- или гигагерцы. А если место радиоприемника займет оптический телескоп, то можно ловить гравитационные волны «световой» частоты. По крайней мере, так гласит теория.

Воспаряя к звездам

На практике обратный эффект Герценштейна, как и прямой, очень слаб. Чтобы гравитационные волны породили сколько-нибудь заметный сигнал, магнитное поле должно быть либо крайне сильным, либо крайне протяженным, а желательно — то и другое сразу.

Наблюдать это явление в лаборатории вряд ли удастся. Рекордное магнитное поле, созданное человеком, составляло всего 2800 тесла. По бытовым меркам это много (привычная магнитная подковка имеет поле примерно 0,1 тесла). Но для обнаружения гравитационных волн в узких стенах лаборатории такого поля явно недостаточно.

Некоторые физики предлагали использовать пульсары — мощнейшие магниты в известной Вселенной. Это нейтронные звезды размером в несколько километров, магнитные поля которых достигают миллиардов тесла. Другие высказывали прямо противоположную идею: использовать межзвездные магнитные поля. Хотя они очень слабы, зато простираются на многие световые годы.

Проблема в том, что пульсары, равно как и межзвездные бездны, находятся весьма далеко. Величина их полей известна в лучшем случае с точностью до порядка, то есть возможна ошибка в несколько раз. Наблюдать излучения, возникающие в десятках и сотнях световых лет от нас, тоже непросто. И как при таких скудных данных отличить излучение, порожденное обратным эффектом Герценштейна, от любых других излучений, коих в космосе предостаточно?

Авторы новой научной работы предложили интересную идею: использовать магнитосферу нашей планеты. Геомагнитное поле не очень сильное (25-65 микротесла на поверхности Земли), зато весьма протяженное. Геомагнитный «хвост» над ночной стороной планеты простирается на сотни тысяч километров. К тому же земная магнитосфера, в отличие от пульсарной или межзвездной, довольно хорошо изучена. А главное — приемник электромагнитного излучения можно установить прямо на месте, а не за световые годы от магнитосферы.

С небес на землю

Авторы новой статьи искали ответ, можно ли реализовать такой детектор уже сегодня. Они взяли параметры существующих инструментов: инфракрасного приемника с метеорологического спутника «Нимбус», оптического телескопа «Хаббл», ультрафиолетового детектора с межпланетного зонда «Вояджер», рентгеновского телескопа «Сузаку» и гамма-телескопа орбитальной обсерватории «Ферми». Все это оборудование физики мысленно доставили на низкую околоземную орбиту.

Телескопы включались над ночной стороной Земли, чтобы защититься от прямого излучения Солнца. Консервативный сценарий предполагал год наблюдений, оптимистичный — 10 лет. Также исследователи «опробовали» мощную магнитосферу Юпитера и приборы обращающегося вокруг гиганта зонда «Юнона» (Juno).

Вспомним об относительной деформации, характеризующей амплитуду гравитационных волн. Ученые рассчитали, какую относительную деформацию сможет обнаружить придуманный ими детектор.

Результаты получились нерадостные. Даже в оптимистическом сценарии минимальная обнаружимая относительная деформация составляла от 10^-18 для инфракрасных волн до 10^-28 для гамма-лучей. Казалось бы, вполне приличные показатели: обнаруживают же детекторы LIGO и VIRGO волны с относительной деформацией 10^-21. Но есть нюанс.

Любой процесс, будь то сотрясения ранней Вселенной или столкновение черных дыр, порождает целый набор гравитационных волн разной частоты и амплитуды. И чем выше частота, тем ниже амплитуда.

Рассмотрим, например, гравитационные волны от столкновения черных дыр. На «звуковых» частотах в герцы и килогерцы, доступных LIGO и VIRGO, они действительно имеют относительную деформацию 10^-21 — 10^-22. А вот на «инфракрасных» частотах в сотни триллионов герц относительная деформация не дотягивает и до 10^-35. Это в 100 квадриллионов раз меньше того минимума, который мог бы обнаружить геомагнитный детектор. На более высоких частотах картина столь же удручающая.

Сформулируем результат исследования со всей ясностью, без вежливых экивоков и показного оптимизма. Рассмотренный китайскими физиками способ регистрации гравитационных волн не работает. Гравитационные волны от любых источников на много порядков слабее обнаружимого минимума.

Чтобы метод заработал, на низкую околоземную орбиту нужно запустить не «Хаббл» и «Вояджер», а фантастические телескопы невообразимого размера. Построить их пока невозможно даже технически, не говоря уж о цене вопроса. Кроме того, будь у нас телескопы такого масштаба, астрономы просто убили бы физиков за предложение всего лишь ловить ими гравитационные волны. Направив столь гигантские инструменты на далекие звезды и галактики, ученые наверняка сделали бы тысячи самых невообразимых открытий (автор мечтательно вздыхает).

Что ж, это тот самый случай, когда отрицательный результат — тоже результат. Расчеты показали, что предложенный метод не сработает и в эту сторону можно не смотреть. Жаль только, что некоторые околонаучные СМИ выдали явно отрицательный результат за положительный.