Существование ГВ вытекает из решения уравнений общей теории относительности (ОТО) для масс, движущихся не просто ускоренно, а ускоренно ускоренно. Резонно спросить: а как пустота может «волноваться»? Она же пуста! На самом деле всё не так просто. В вакууме непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы, это доказано экспериментально. Пустоты не существует, поэтому вакуум переносит энергию. Если интересно, читайте дальше.

Что такое гравитационная волна (ГВ)?

ГВ – это поперечные волны пространства-времени, обладающие квадрупольным моментом. Если через пробную массу проходит горб ГВ, то пробную массу  «вытягивает по вертикали и сжимает по горизонтали», а когда впадина – наоборот: «сжимает по вертикали и вытягивает по горизонтали». Переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон – дисперсия ГВ. Единица измерения ГВ не имеет размерности – это относительное изменение расстояния между свободно падающими массами. Из всех взаимодействий гравитационное – самое слабое, оно слабее т.н. «слабого взаимодействия» в 10^-25 раз. Именно из-за этого обнаружить ГВ чрезвычайно трудно. Но можно, так как радиус гравитационного взаимодействия бесконечен. Из астрономических наблюдений выяснилось, что ГВ следует искать в инфразвуковом и звуковом диапазонах частот и только от самых сильных источников. Как выражаются  американцы,  от систем стелларов (двойные звёзды, чёрные дыры и т.д.).

Методы обнаружения ГВ

В 1962 году советскими физиками Герценштайном и Пустовойтом был предложен метод измерения расстояния между пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. Работа была опубликована и …забыта мировым сообществом. Тем не менее 14-го сентября 2015 года ГВ были открыты именно с помощью этого метода. Как устроен лазерный интерферометр, можно прочитать в Википедии.

Резонансный метод был предложен Вебером в 1967-ом году. Здесь детектор представляет собой массивный твёрдотельный резонатор, охлаждённый до сверхнизкой температуры и защищённый от сейсмических шумов сверхвысокодобротной подвеской. Идея состоит в том, что ГВ может возбудить в резонаторе механические колебания, которые многократно усилятся резонатором. Вебер якобы обнаружил космическую ГВ, но его наблюдения никем не подтвердились. Позже стало ясно почему.

Радиотелескопический метод основан на наблюдении флуктуаций координат космических мазеров из-за изменения расстояния между радиотелескопическими интерферометрами в результате прохождения ГВ. Метод был предложен в 2009 году российскими учёными, но почему-то не получил распространения.

Существует также метод, основанный на взаимодействии электромагнитной волны и ГВ. Метод основан на эффекте частотной модуляции высокостабильной СВЧ-волны ортогонально проходящей ГВ. Эффект может многократно усиливаться с помощью петлевых волноводов. При смешивании немодулированных и модулированных СВЧ-колебаний должны возникать низкочастотные «биения», повторяющие форму ГВ. Метод, возможно, ещё найдёт своё применение для поиска источников ГВ с инфранизкими частотами.

Что стали искать

Из-за потерь энергии на излучение ГВ масса системы стелларов уменьшается, что вызывает ускорение взаимного вращения стелларов, из-за чего генерация ГВ возрастает. Это вызывает дальнейшее уменьшение массы системы и экспоненциальное возрастание частоты и амплитуды ГВ, то есть в системе возникает положительная обратная связь. Последняя является необходимым условием работы любого генератора. Но в отличие от обычного генератора процесс не стабилизируется, а достигнув некоторого максимума, с ещё быстрее возрастающей частотой круто спадает в результате слияния  стелларов. Этот эффект поддаётся расчётам и, играя параметрами систем стелларов – массами и расстояниями, по формулам, вытекающим из ОТО, можно получить множество различных графиков апериодических процессов. Но оставалось сомнение: всё ли гладко в формулах?

К счастью, с помощью чрезвычайно тонких наблюдений эффект ускорения вращения двойных звёзд был надёжно зафиксирован в оптическом диапазоне Расселом Халсом и Джозефом Тейлором, о чём они  объявили в 1974-ом году. В 1993 году им была присуждена Нобелевская премия по физике за косвенное открытие ГВ. Значение их открытия трудно переоценить. С одной стороны из-за апериодичности ГВ от звёздных источников были отброшены резонансные методы поиска, и финансирование переключили на интерферометрические методы. С другой стороны  физики получили уверенность, что формулы ОТО верны и могут быть упрощены до инженерных, и, стало быть, известно, какие по форме сигналы следует искать в прямых экспериментах. Проблема, однако, по-прежнему состояла в том, что полезные сигналы, инициируемые ГВ,  имели чрезвычайно низкое соотношение сигнал/шум.

На помощь пришла статистическая радиотехника

Повышать соотношение сигнал/шум подавлением или компенсацией шумов земного происхождения можно изобретательностью, но до определённых пределов, например, применяя более совершенных подвески пробных масс и зеркал и/или охлаждая их до сверхнизких температур. От шумов космического происхождения нельзя избавиться никак: Вселенная шумит в ГВ-диапазоне. Возникает парадокс: наличие ГВ мешает их обнаружить. И экспериментаторы воспользовались методами статистической радиотехники.

На самом деле ГВ от сильных коллапсирующих источников – это т.н. «сложный сигнал», т.е. сигнал, имеющий, как говорят радиотехники, базу бОльшую, чем 1. База – это полоса сигнала, умноженная на продолжительность бита. Тут надо кое-что пояснить. Если бит информации в единицу времени (период телеграфирования) однозначно изменяет какой-то один параметр несущей – база равна единице. Если в течение периода телеграфирования несколько бит изменяют несколько параметров несущей, как, например, в телефонных модемах  или в цифровом ТВ – база меньше единицы. «Доединичные» системы работают только при высоких соотношениях сигнал/шум – от 10 дБ и выше. Если надо, чтобы сигнал был различим на фоне шумов, базу надо повышать: один бит передавать не за один период телеграфирования, а за несколько, внося в каждом периоде (боде, как говорят связисты) изменения в форму сигнала. Принимают такой бит, вычисляя корреляционную функцию бита и его копии: интеграл от их произведения во множестве временнЫх сдвигов. Многие  айтишники, не говоря уже о журналистах, не задумываются, что вай-фай, джи-пи-эс и даже обычные сотовые телефоны работают с помощью сложных сигналов. Правда, там никто не занимается вычислениями корреляционной функции: вычисления требуют времени, а поток-то идёт. На помощь приходит т.н. «согласованный фильтр» (СФ).

СФ – это устройство, амплитудо-частотная характеристика (АЧХ) которого повторяет АЧХ сигнала, а фазо-частотная характеристика (ФЧХ) его является комплексно-сопряжённой с ФЧХ сигнала. Всё! Устроен СФ просто: линия задержки с отводами, подключёнными к аналоговому сумматору через масштабирующие усилители.. Если бит представляет собой последовательность -1,+1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,-1,-1,-1,+1,+1 с расстоянием 1 мс между элементами, то чтобы получить всплеск на выходе СФ, когда последовательность будет полностью находиться внутри  СФ, коэффициенты усилителей должны повторить эту последовательность, а отводы следует делать через 1 мс. Короче, чтобы сигнал предполагаемой формы себя обнаружил, надо сделать выборки из него, загнать в линию задержки с отводами по периоду выборки, перемножить выборки на выборки из предполагаемой формы, а результаты сложить. СФ увеличивает соотношение сигнал/шум в FT раз, где F – полоса исследуемых частот, T – длительность сигнала. Для полосы ГВ ожидаемое повышение соотношения сигнал/шум при применении СФ – несколько десятков раз. Это повышает чувствительность детектирования до уровня, который даёт охлаждение всей системы детектирования до нескольких Кельвинов.

Разумеется, экспериментаторы не строили никаких линий задержек. Результаты детектирования оцифровывались, записывались и обрабатывались для тысяч шаблонов предполагаемых форм ГВ. Попутно из результатов детектирования вычитались сейсмические и другие шумы. Ежесуточно генерировалось до терабайта замеров. Наконец, – о чудо! – один из шаблонов СФ дал яркий всплеск. Сигнал, соответствующий этому всплеску с задержкой 10 микросекунд был обнаружен и в другом детекторе, находящемся  в 3000 км от первого. Теперь заработал приёмник Котельникова: сигналы детекторов перемножили и вынесли вердикт: зарегистрированы ГВ. Всего 1 бит информации, но какой! Амплитуда ГВ -- 10^-21. По форме ГВ были предвычислены массы взаимодействующих объектов и доля излучённой энергии ГВ – примерно 3 массы Солнца за половину секунды. Невообразимо.

Что дальше?

Сейчас в мире работают сразу 6 детекторов ГВ, готовятся к выводу на орбиту новые космические детекторы ГВ. Для чего это нужно? Человечество хочет видеть небо в гравитационном диапазоне. Стоит задача обнаружения реликтового гравитационного излучения и изучения его поляризации. Всё это позволит в какой-то мере судить о форме Вселенной в пространстве-времени, о первых мгновениях жизни Вселенной и надо надеяться, продвинет к разгадке тайны тёмной материи и тёмной энергии…