Генерация гравитационных волн
Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени
Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ m da / dt . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m
1a
1 = − m
2a
2. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр \( {\displaystyle \left({\frac {r_{g}r^{2}}{(cT)^{3}}}\right)^{2},} \) где r
g — гравитационный радиус излучателя, r — его характерный размер, T — характерный период движения, c — скорость света в вакууме.
Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:
сталкивающиеся галактики (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.
Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел
Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс
Два гравитационно связанных тела с массами m1 и m2, движущиеся нерелятивистски \( {\displaystyle (v\ll c)} \) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей мощности, в среднем за период:
\[ {\displaystyle -{\frac {\it {d{\mathcal {E}}}}{\it {dt}}}={\frac {32\,G^{4}m_{1}^{2}m_{2}^{2}\left(m_{1}+m_{2}\right)}{5\,c^{5}r^{5}}},} \]
где G — гравитационная постоянная. Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:
\[ {\displaystyle {\dot {r}}=-{\frac {64\,G^{3}m_{1}m_{2}\left(m_{1}+m_{2}\right)}{5\,c^{5}r^{3}}}.}
\]
Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения примерно 5 киловатт; мощность, излучаемая подсистемой Солнце — Земля, составляет около 200 Вт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел. Частота излучаемых гравитационных волн равна удвоенной частоте обращения системы двух тел.
Гравитационный коллапс двойной системыЛюбая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.
