Гравітацыйная хваля — адхіленне гравітацыйнага поля, «рабізна» тканіны прасторы-часу, якая распаўсюджваецца з скорасцю святла[1]. Гравітацыйныя хвалі прадказваюцца агульнай тэорыяй адноснасці (АТА) і многімі іншымі тэорыямі гравітацыі, але з прычыны іх надзвычайнай слабасці не былі зарэгістраваныя напрамую да 14 верасня 2015 года[2]. Тым не менш ускосныя сведчанні іх існавання досыць важкія — АТА прадказвае тэмпы збліжэння цесных сістэм падвойных зорак, якія супадаюць з назіраннямі, за кошт страты энергіі на выпраменьванне гравітацыйных хваль.
У рамках АТА гравітацыйныя хвалі апісваюцца рашэннямі ўраўненняў Эйнштэйна хвалевага тыпу, якія прадстаўляюць сабой узбурэнне метрыкі прасторы-часу, якое рухаецца са скорасцю святла. Праявай гэтага ўзбурэння павінна быць, у прыватнасці, перыядычная змена адлегласці паміж двума свабодна падаючымі (гэта значыць тымі, што не адчуваюць ўплыву ніякіх сіл) пробнымі масамі. Амплітудай h гравітацыйнай хвалі з’яўляецца безразмерная велічыня — адноснае змяненне адлегласці. Прадказваць максімальныя амплітуды гравітацыйных хваль ад астрафізічных аб’ектаў (напрыклад, кампактных падвойных сістэм) і з’яў (выбухаў звышновых, зліццяў нейтронных зорак, захопаў зорак чорнымі дзіркамі і т. п.) пры вымярэннях ў Сонечнай сістэме вельмі малыя (h=10−18—10−23). Слабая (лінейная) гравітацыйная хваля згодна з агульнай тэорыяй адноснасці з’яўляецца папярочнай, квадрупольнай і апісваецца двума незалежнымі кампанентамі, размешчанымі пад вуглом 45° адзін да аднаго (мае два напрамкі палярызацыі).
Сістэма з двух нейтронных зорак спараджае рабізну прасторы-часу
Гравітацыйную хвалю выпраменьвае любая матэрыя, якая рухаецца паскорана. Для ўзнікнення хвалі істотнай амплітуды неабходныя надзвычайна вялікая маса выпраменьвальніка ці/і велізарныя паскарэнні, амплітуда гравітацыйнай хвалі прама прапарцыянальная паскарэнню і масе генератара, гэта значыць ~ ma. Аднак калі некаторы аб’ект рухаецца паскорана, то гэта азначае, што на яго дзейнічае некаторая сіла з боку іншага аб’екта. У сваю чаргу, гэты іншы аб’ект адчувае адваротнае дзеянне (па 3-му закону Ньютана), пры гэтым аказваецца, што m1a1 = −m2a2. Атрымліваецца, што два аб’екты выпраменьваюць гравітацыйныя хвалі толькі ў пары, прычым у выніку інтэрферэнцыі яны істотна ўзаемна гасяцца. Таму гравітацыйнае выпраменьванне ў агульнай тэорыі адноснасці заўсёды носіць па мультыпольнасці характар як мінімум квадрупольнага выпраменьвання. Акрамя таго для нерэлятывісцкіх выпраменьвальнікаў ў выразе для інтэнсіўнасці выпраменьвання маецца малы параметр (r — характэрны памер выпраменьвальніка, T — характэрны перыяд руху выпраменьвальніка, c — скорасць святла ў вакууме).
Для Сонечнай сістэмы, напрыклад, найбольшае гравітацыйнае выпраменьванне вырабляе падсістэма Сонца і Юпітэра. Магутнасць гэтага выпраменьвання прыкладна 5 кілават, такім чынам, энергія, якую губляе Сонечная сістэма на гравітацыйнае выпраменьванне за год, зусім мізэрная ў параўнанні з характэрнай кінетычнай энергіяй цел.
Найбольш моцнымі крыніцамі гравітацыйных хваль з’яўляюцца:
галактыкі, якія сутыкаюцца (гіганцкія масы, невялікія паскарэнні),
гравітацыйны калапс падвойных сістэмы кампактных аб’ектаў (каласальныя паскарэнні пры даволі вялікай масе). Як прыватны і найбольш цікавы выпадак — гэта зліццё нейтронных зорак. У такой сістэмы гравітацыйна-хвалевая свяцільнасць блізкая да максімальна магчымай у прыродзе планкаўскай свяцільнасці[4].
Гравітацыйны калапс падвойнай сістэмы
Любая падвойная зорка пры кручэнні яе кампанент вакол агульнага цэнтра мас губляе энергію за кошт выпраменьвання гравітацыйных хваль, і ў рэшце рэшт зліваецца разам. Але для звычайных, некампактных падвойных зорак гэты працэс займае вельмі доўгі час, шмат большы сапраўднага ўзросту Сусвету. Калі ж падвойная кампактная сістэма складаецца з пары нейтронных зорак, чорных дзірак або іх камбінацыі, то зліццё можа адбыцца за некалькі мільёнаў гадоў. Спачатку аб’екты збліжаюцца, а іх перыяд абароту памяншаецца. Аднак на заключным этапе адбываецца сутыкненне і несіметрычны гравітацыйны калапс. Гэты працэс доўжыцца долі секунды, і за гэты час у гравітацыйнае выпраменьванне сыходзіць энергія, якая складае па некаторых ацэнках больш за 50 % ад масы сістэмы.
