Несколько лет назад я задался вопросом: можно ли услышать гравитационные волны "невооружённым ухом"? И пришёл к выводу, что можно. Впрочем, для этого нужны очень специфические условия. Я не был уверен, что они в обозримом будущем реальны. Но недавнее открытие вплотную приблизилось к такой ситуации.
На днях по новостным каналам прошло сенсационное сообщение: первая достоверная регистрация гравитационных волн (читаем, например, тут
http://www.gazeta.ru/science/2016/02/11_a_8068283.shtml). Причём, эти волны были вызваны весьма необычным событием - столкновением двух чёрных дыр. При этом столкновении в виде гравитационных волн вышла энергия, соответствующая трём солнечным массам - больше, чем обычно высвечивается при взрыве сверхновых звёзд в виде электромагнитных волн. Это событие произошло от нас на расстоянии в 1.3 миллиарда световых лет. Тем не менее, учёным удалось продетектировать и записать этот хлопок. Причём, записать в форме обычного звука (дрожи зеркал интерферометра). Этот звук и его спектрограмма показаны здесь
Звук напоминает удар капли воды, что символично (столь разные процессы имеют общие черты). Большинство новостных агенств почему-то не делают упора на удивительном факте: это не "художественная обработка" сигнала, это именно сам сигнал, каким он был записан! Фактически, это настоящий звук, распространившийся через космос. Конечно, не через деформацию вещества, как на Земле, а через деформацию самого пространства. Но именно механическую деформацию. Которую и слышит наше ухо.
Здесь стоит напомнить, что такое гравитационные волны и как они возникают. С точки зрения Общей теории относительности, любой объект искривляет пространство вокруг себя. Если объект покоится относительно нас, то он создаёт постоянное тяготения (мы чувствуем силу, которая тянет нас к нему). Но если объект движется, то он "рассекает" пространство, и от него расходится волна деформации. Точно так же плывущий корабль рассекает воду и вызывает волну. А если объект колеблется или вращается, то он будет испускать круговые волны. Гравитационные волны - это прямое следствие конечной скорости распространения гравитации. Если бы гравитация распространялась мгновенно (как думал Ньютон), то волн бы не было. Волны - это всегда следствие запаздывания сигнала.
Аналогичная ситуация имеет место с электромагнитными волнами. Если электрический заряд стоит на месте, то он просто создаёт вокруг себя постоянное поле. Он может притягивать к себе другой заряд, но не более того. Но если же заряд движется, то от него будут исходить волны. Например, колеблющиеся электрические заряды в передающей антенне создают радиоволны. А если бы электромангитное взаимодействие было мгновенным, то волн бы не было.
Если объект излучает волны (электромагнитные или гравитационные), то он теряет энергию. Любой радиопередатчик расходует электричество и любая планета, ходящая по орбите, теряет энергию. Правда, в случае с планетами эта энергия обычно ничтожна. Например Юпитер излучает в виде гравитационных волн примерно 5 кВт. Но совсем иной может быть ситуация при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Подлетая друг к другу перед столкновением, они начинают быстро кружиться друг вокруг друга, совершая по многу оборотов в минуту, а то и в секунду (!!). Соответственно, и излучаемые энергии возрастают на много порядков в сравнении с планетарным движением. Те чёрные дыры, которые столкнулись в вышеописанном случае, перед столкновением раскрутились до сотен оборотов в секунду и потратили на гравитационные волны 3 солнечных масс (тогда как каждая дыра имела массу порядка 30 солнечных). Это, кстати, отличный пример для тех, кто ещё верит в миф, что "из чёрной дыры ничто не может выйти".
Теперь вернёмся к вопросу, можно ли услышать "невооружённым ухом" гравитационные волны? Для этого должны быть выполнены два условия.
- Во-первых, волны должны иметь частоты порядка герц и килогерц.
- Во-вторых, волны должны создавать относительные деформации облучаемых объектов порядка 10^{-5} (при громкости звука 20 дб отклонение сантиметровой перепонки уха составляет 10 нм, при 80 дб - 100 нм).
Это огромные величины. Большинство известных источников волн типа Юпитера дают ничтожные частоты (1 колебание за годы) и исчезающе малые деформации на Земле (менее 10^{-30}). Но с чёрными дырами оказалось иначе. Прежде всего, их частоты оказались непосредственно в слышимом человеком диапазоне: десятки и сотни герц. Мощности были вовсе исполинскими, правда из-за большого расстояния деформации на Земле составили лишь 10^{-21}. Но этого уже оказалось достаточным для приборов. Эти деформации удалось измерить двумя сверхточными лазерными интерферометрами размерами по 4 километра. И тот звук, который записан в ролике выше - это именно звук, настоящий механический дребезг зеркал интерферометра. Просто усиленный на много порядков. Будь этот звук громче - его мог бы записать обычный сейсмограф, а то и услышать человеческое ухо.
Теперь можно задаться вопросом: на каком расстоянии должен был бы произойти удар, чтобы мы его услышали ушами?
Уже на расстоянии 10000 световых лет он был бы отлично слышен с громкостью 80 дб. Все инопланетяне, живущие в радиусе 10000 световых лет от события, могли слышать его ушами (если их характеристики хоть немного похожи на наши). А с расстояния в 1000 световых лет он имел бы оглушительную громкость 140 дб. Правда, я не уверен, что при таких деформациях там могло остаться что-то живое.UPD: сорри всем, я совершенно неправильно вычислил расстояния в нижнем абзаце. Мощность падает обратно пропорциональнол не кубу, а квадрату расстояния. Так что чтобы громко услышать хлопок (80 дб), надо было находиться на расстоянии лишь 10 световых лет. И, вероятно, это событие не угрожало бы жизни даже ближайших планетных систем