Первым попытку оценить скорость гравитации предпринял ещё в 1797 году французский ученый Пьер-Симон Лаплас. Проанализировав результаты наблюдений за вековыми изменениями ускорения Луны (которое было постоянным, насколько это определялось точностью измерений с помощью тогдашних методов и приборов), он получил нижнее пороговое значение скорости гравитации не менее чем в 50 миллионов раз большее, чем уже измеренная в то время скорость света. Поэтому, не опасаясь какой-либо заметной погрешности, можно считать передачу силового действия тяготения мгновенным, что и принято при расчётах траекторий космических аппаратов. Лаплас также высказал гипотезу о существовании невидимых звёзд, так называемых черных дыр, для которых вторая космическая скорость (для так называемого горизонта событий) равняется скорости света: с =3х108 м/сек. Это значит, что фотонная граница звезды для наблюдателя становится невидимой. Но обнаружить черные дыры возможно по их гравитационному воздействию на окружающие и удалённые космические объекты. Если космическая пыль захватывается полем притяжения и разгоняется до громадных скоростей, это можно видеть по её свечению, пока она не исчезает для наблюдений внутри горизонта событий чёрной дыры.
Подтверждения гипотезы Лапласа пришлось ждать почти два столетия, пока в 1964 году во время суборбитального полёта не был обнаружен ярчайший источник рентгеновского излучения, связанный с яркой звездой переменной светимости, находящейся за 6500 световых лет от Земли, в созвездии Лебедя, и по массе в 20 раз превосходящей Солнце. Однако дальнейшие исследования показали, что источником рентгеновского излучения являлась не эта звезда с периодом изменения светимости 5,6 суток, а космическая пыль, сносимая на соседнюю, невидимую звезду (эффект аккреции). Звезда эта называется Лебедь X-1, «весит» в 16,8 раза больше Солнца и, по мнению астрофизика Стивена Хокинга, слишком компактна, чтобы быть чем-либо еще кроме чёрной дыры. Радиус горизонта событий составляет 26 километров.
К настоящему времени открыто более пятидесяти черных дыр. Это подтверждает объективность расчётов Лапласа для скорости гравитации. Из современных авторитетов по разработанной Лапласом методике, но с использованием последних данных, Томас Ван Фландерн вычислил, что скорость гравитации как минимум на 1010 больше скорости света, за что в своей научной среде был предан анафеме.
Итак, в настоящее время существуют, по меньшей мере, две противоречивых модели тяготения. Это, с одной стороны, статическая модель Ньютона для точечных масс, где скорость гравитационного взаимодействия ничем не ограничивается. С другой стороны – уточняющая модель Пуанкаре и постулат Эйнштейна, согласно которым скорость любого взаимодействия, в том числе и гравитационного, должна быть меньше или равна скорости света в вакууме. В академических кругах это противоречие предпочитали «не замечать». Другие гипотетические модели гравитации и теоретические оценки её скорости пока не получили необходимого подтверждения из-за сложности организации, проведения и обработки результатов астрофизических измерений. Однако, в связи с открытием аномального эффекта изменения гравитации при солнечном затмении, которое сделал ещё в 1954 году Морис Алле, появилась возможность проводить наблюдения в земных условиях и определять скорость гравитации или гравитационного взаимодействия по сдвигу времени запаздывания между световым затмением и «гравитационной тенью» от Луны (см. рис. 1).
Напомним, что напряжённость гравитации на поверхности Земли численно и по размерности равна ускорению свободного падения. Эффект гравитационного воздействия можно определить по весу пробного тела известной массы. В геодезии широко применяется струнный гравиметр с закреплённой на струне пробной массой, изменение веса которой приводит к изменению частоты звучания струны. Изменение гравитации, связанное с движением Луны и Солнца относительно Земли, исчисляется долями процента. Однако в масштабах Земли это приводит к многометровым приливам в морях и океанах.
Согласно экспериментальным данным Томаса Ван Фландерна, временная разница между максимумом видимого затмения и центром гравитационных изменений составила 38+1,9 секунды. Это позволяет утверждать, что скорость распространения гравитационного возмущения в 20 раз превышает скорость света. Минимум ограничивается разрешающей способностью или точностью гравиметрических измерений. На рисунке 1 показан эффект аномальной гравитации во время полного солнечного затмения в Париже 30 июня 1954 года. Обозначения: А – начало затмения (11:21 U.T.), В – максимальная фаза (12:40 U.T.), С – завершение затмения (13:56 U.T.). Луч Солнца, как известно, проходит расстояние до Земли за 500 секунд.
Резкое увеличение гравитации (возможно – «рефракция»!) происходит в начале затмения с точностью до временного разрешения, которое, как видно по развёртке для гравитационной зависимости, составляет не менее 10 секунд. Максимум гравитационного пятна здесь находится в конце ската за центральным пунктиром, смещение относительно В – 450 секунд. Абсолютное положение проекции Солнца находится впереди от В на интервале 500 секунд. На этот момент абсолютного времени рассчитывается минимально возможная скорость гравитации – она в 50 раз превышает световую! Качественно это соответствует экспериментальным данным Томаса Ван Фландерна. Возможный максимум скорости здесь не определяется из-за большой погрешности для разрешения по времени.
«Практика – критерий истины». Но мне пока не удалось найти необходимых данных по последним наблюдениям хода гравитации при полных солнечных затмениях, производившимся в Китае и Казахстане. Всё же можно предположить, что скорость гравитации значительно превышает скорость света. Насколько именно? Возможно, точный ответ дадут результаты спутниковых исследований с использованием мобильных и более чувствительных гравиметров.
Всё наше понимание процессов, происходящих во Вселенной, представления о ее структуре сложились на основе изучения электромагнитного излучения, другими словами – фотонов, доходящих до наших приборов из глубин космоса. Однако фотонные наблюдения имеют свои ограничения: из очень далёких областей космоса электромагнитные волны даже самых высоких энергий до нас не доходят. Но о том, чего никогда не увидят приборы, регистрирующие электромагнитное излучение (черных дырах, тёмной материи), могут рассказать гравитационные волны. Чтобы их «увидеть», нужна принципиально новая техника.
Существование гравитационных волн предусмотрено общей теорией относительности и предсказано Эйнштейном еще в 1915 году. Они, возможно, возникают при столкновении очень массивных объектов, которое порождает возмущения пространства-времени, расходящиеся с некоторой скоростью во все стороны от места зарождения. Результаты моделирования сливающихся чёрных дыр, излучающих гравитационные волны, представлены на рисунке 2. Эти волны представляют собой как бы рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью... Какой именно? Математика, оперируя безразмерными величинами, не может дать и не даёт ответа на этот вопрос. Требуются натурные исследования и наблюдения.
В начале 1960-х годов Джозеф Вебер изобрёл первый тип гравитационных антенн – резонансные камеры в виде двухметровых металлических цилиндров. С конца 1960-х годов Вебер начал публиковать статьи о детектировании гравитационных волн. Сообщения вызвали научную сенсацию. Многочисленные группы по всему миру начали строить подобные детекторы для проверки и уточнения результатов. В 1972 году портативный детектор Lunar Surface Gravimeter, изготовленный Вебером, был даже установлен на Луне в рамках научной программы полёта «Аполлона-17». Детектор измерял амплитуды собственных колебаний Луны, как бы возбуждаемых проходящими гравитационными волнами. Но открытие не состоялось.
Сейчас мы можем констатировать, что резонансный метод регистрации гравитационных волн оказался тупиковым: несмотря на все технические ухищрения и полувековую историю разработок, чувствительность резонансных камер на два порядка хуже, чем у построенных в начале 2000-х в США Лазерных интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий – LIGO. В их конструкцию входят четырехкилометровые трубы с высоким вакуумом внутри, а чувствительными элементами являются подвижно закреплённые зеркальные отражатели интерферометров.
11 февраля 2016 года в США коллаборация LIGO объявила об обнаружении гравитационных волн на двух синхронизированных установках LIGO в двух обсерваториях, находящихся на расстоянии 3000 километров. Событие произошло 14 сентября 2015 года. Обнаруженный сигнал исходил от слияния двух чёрных дыр, массой превосходящих Солнце в 36 и 29 раз и находящихся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение. Но об измерении скорости гравитационных волн речи не идёт. Здесь в корреляционном анализе всё же используется скорость света.
«За решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн» в 2017 году удостоились Нобелевской премии по физике трое американских ученых – Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэрриш (на фото). Однако за восторгом, которым сейчас наполнены рассказы об открывающихся перед нами перспективах гравитационно-волновой астрономии, уже теряется ощущение того, насколько тернистым и извилистым на самом деле был путь к полученному результату.