Гравитационные волны в ОТО и проблема их обнаружения - Бичак И.
Скачать (прямая ссылка):
Существенный прогресс в проблеме гравитационного излучения наметился с конца пятидесятых годов, когда были, наконец, сконструированы точные регулярные решения нелинейных уравнений Эйнштейна, представляющие плоские волны. Бонди с сотрудниками исследовал асимптотические свойства волн от произвольной островной системы и показал, что волны, уходящие на бесконечность, уносят массу-энергию, которую теряет излучающая система.
Шестидесятые годы — период бурного развития теории гравитации и релятивистской астрофизики, поддержанный астрономическими открытиями новых релятивистских объектов (квазары, реликтовый электромагнитный фон, пульсары) и идущий параллельно с развитием космической, радарной техники и техники сверхчувствительного приема. Математическая теория гравитации все больше превращается в практически важную науку, обеспечивающую прикладные расчеты в различных задачах астрофизики, космической навигации, радиоастрономии. Сверхплотные релятивистские объекты и их скопления в ядрах галактик или квазаров начинают рассматриваться как возможный источник мощных всплесков гравитационного излучения, которое могло бы быть зарегистрировано на Земле.
Пионером эксперимента с целью обнаружения гравитационных волн стал Дж. Вебер из Мэрилендского университета, разработавший первые гравитационные антенны в середине пятидесятых годов. С тех пор теоретические и экспериментальные усилия в задаче поиска гравитационного излучения постоянно нарастали. Пройден заметный путь — достигнуты успехи и в анализе внеземных источников для уточнения реалистического прогноза характеристик ожидаемых сигналов, и в совершенствовании сверхчувствительной приемной аппаратуры, но главная цель — регистрация самого излучения — все еще не достигнута. Активность гравитационно-волновых групп в различных странах поддерживается косвенными наблюдательными фактами, свидетельствующими в пользу гравитационных волн. Среди них наиболее впечатляющим является изменение орбитального периода двойным пульса^-ром, точно соответствующее темпу потерь энергии за счет гравитационного излучения. Однако собственно гравитационно-волновая астрономия — притягательная своими потенциальными воз-
5 можностями поставлять уникальную информацию о Вселенной, там, где другие средства уже бессильны, — несмотря на постоянные оптимистические прогнозы все еще ждет своего рождения.
Данная монография по замыслу авторов призвана отразить современное состояние проблемы гравитационного излучения как в теоретическом, так и в экспериментальном аспекте. По этой причине она состоит из двух заметно отличающихся частей. Теоретическое описание гравитационных волн проводится в первой части книги на основе общей теории относительности как наиболее признанной (и успешной) на сегодняшний день теории тяготения, которая, как упоминалось, впервые предсказала возможность гравитационного излучения. Следует отметить, что другие конкурирующие с ОТО варианты гравитационных теорий при всех различиях в основополагающих аксиомах и методологических принципах всегда содержат в своих следствиях гравитационное излучение, такое что его свойства в линейном приближении соответствуют (полностью или частично) волнам в ОТО; но именно линейные эффекты релятивистских теорий были до сих пор доступны экспериментальной проверке. Несмотря на то что реального обнаружения гравитационного излучения еще не произошло, различными экспериментальными группами уже проведена большая подготовительная работа. Накопленный в этом направлении опыт и перспективы составляют содержание второй части монографии.
Структура книги по главам следующая. Первая глава посвящена краткому изложению основных идей и формул ОТО с акцентом на разделы, существенные для теории гравитационного излучения; подробнее излагаются перенос Ферми — Уолкера, производная Ли и уравнения Киллинга; в конце главы обсуждается проблема энергии гравитационного поля с учетом последних публикаций по этому вопросу.
Вторая глава содержит линеаризованную версию ОТО с исследованием свойств слабых гравитационных волн и излучающих систем; материал здесь дан в педагогическом стиле, более детально, чем обычно, ибо для описания взаимодействия гравитационной волны с лабораторным детектором важна и достаточна именно линеаризованная теория.
В третьей главе обсуждаются некоторые точные излучатель-ные решения уравнений ОТО для островных источников, отвечающие асимптотически плоской структуре пространства-времени; исследуются волновые фронты в линейном приближении и в точной нелинейной теории; с § 3.2 и до конца книги стиль изложения переходит в монографический и обзорный.
Четвертая и пятая главы являются обзорами имеющихся приближенных методов расчета излучения релятивистских объектов с акцентом на анализ структуры и параметров прогнозируемых гравитационно-волновых всплесков, что важно для последующей формулировки требований к гравитационным приемникам на Земле.
6 Главы с шестой по девятую содержат основное принципы детектирования гравитационного излучения вместе с математическими расчетами гравитационных антенн, известных к настоящему времени. Кроме хорошо изученных антенн веберовского типа, описанных в гл. 6 и 7, анализируется современный вариант оптической антенны на свободных массах с дискуссией возможности введения в нее веберовских детекторов (гл.8). Наконец, в последней, девятой, главе, изложен гетеродинный принцип детектирования, пока не нашедший реального воплощения ни в одном из выполненных экспериментов. Главы 1—4 подготовлен^ И. Би-чаком, главы 6 — 9 В. Н. Руденко и глава 5 разработана совместно обоими авторами; общая редакция текста выполнена В. Н. Руденко.
