Гравитационные волны в ОТО и проблема их обнаружения - Бичак И.
Скачать (прямая ссылка):
Современная схема межпланетных станций включает в себя следующие элементы. Во-первых, опорный стандарт частоты (мазерного типа), который синхронизирует частоту кварцевого генератора, задающего несущую частоту для зондирующего импульса. Во-вторых, ретранслятор на самой космической станции, который «отражает» опорный сигнал с усилением по мощности, но не искажая его частоты и фазы. Такое «активное» отражение, как известно, изменяет закон потерь мощности сигнала от г-4, к г~2 (последнее как раз и позволяет сильно увеличить дальность, по сравнению с пассивной локацией). В-третьих, система сравнения ретранслированной волны с посланной, по частоте и фазе, с помощью счета периодов и их долей за некоторое характерное время интегрирования ти. Эта система вычисляет частотный сдвиг между посланными и принятым сигналом.
Сдвиг в общем случае содержит допплеровское смещение частоты из-за относительной скорости Земли и ретранслятора; плюс вклады случайного характера из-за дрейфа и флуктуаций частоты опорного стандарта, из-за дисперсии сигнала.
На этом фоне следует выделять вклад от возможного воздействия проходящих гравитационных волн.
В целом достаточно причин для того, чтобы усомниться в возможности достижения какой-либо разумной чувствительности та-
9*
243 кого метода. Тем не менее в конкурентном сопоставлении шумов-лазерного длиннобазового интерферометра на земле и допплеровской связи «земля — космический аппарат» побеждает последняя. В диапазоне частот (10-4— Ю-2) Гц свободно-массовая антенна Земля—Пионер оказалась существенно менее шумной, чем наземный лазерный стрейн-сейсмограф с базой 3 км [249], и допускала измерение A///~ (KH2-MO"14) и лучше [251].
Экспериментальная техника (NASA) в настоящее время позволяет измерять h~ (А///) ~3-IO-15 при времени интегрирования порядка десятка минут. Эти данные получены с цезиевым стандартом на длине волны 13 см при расстоянии до ретранслятора ~ 1 а. е. Однако разрешение допплеровских методов непрерывно растет.
По-видимому, уже в настоящее время с обычными космическими аппаратами попытки поиска всплесков гравитационного излучения разумны и интересны. Подчеркнем, наконец, одну существенную деталь. Обычно экспериментаторы интуитивно отдают предпочтение лабораторным, земным вариантам опыта по сравнению с космическими. Здесь работает сознание того, что спутниковые эксперименты дороги, под силу большим коллективам ученых в рамках национальных научных программ. Как правило, подготовка и осуществление запуска занимает от нескольких до десяти лет.
В действительности ситуация в проблеме гравитационных волн почти образная. Допплеровская локация может быть пущена в дело уже сегодня. Для этого достаточно использовать те космические станции, которые запускаются в рамких программы изучения планет и околосолнечного пространства. Причем их можно использовать уже после завершения основной программы, для которой они предназначались. Например, первые экспериментальные оценки для верхней границы интенсивности длинноволновых гравитационных волн были получены при слежении за станциями Пионер и Вояджер, совершающими облет дальних: планет [251].
Глава 9
РОТАЦИОННО-ГЕТЕРОДИННЫЙ ПРИНЦИП ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
Кроме резонансного твердотельного детектора и детектора на свободных массах известен еще ряд схем, среди которых следует выделить класс приемников, построенных по принципу гетеродини-рования, т. е. использующих эффекты преобразования частоты для увеличения реакции детектора («сигнального отклика») на гравитационное излучение. Первый гравитационный детектор подобного типа был предложен в работе [252].
244І Прежде чем перейти к описанию таких приемников, выпишем еще раз для сравнения, отклик квадрупольного осциллятора на резонансную гравитационную волну (см. гл. 6) (аэ0=аэгр):
Ax=iI2I (8nGc-4y In=iIilhomv-
(9.1)
/ I h\ U
' Л\\Ч
Vn
///
Можно представить себе случай, когда гравитационная волна вызывает не продольные колебания детектора, а крутильные. Это легко понять, рассматривая детектор-гантель на фоне поля ускорений в волне, падающей нормально оси детектора (рис. 9.1) [252]. Абсолютная величина «эквивалентной силы», действующей на массы детектора-гантели, зависит только от их взаимного расстояния и интенсивности волны I (гл. 6). Когда гантель располагается по осям xf у, волна может вызвать _ лишь продольные колебания. На- ^ против, для линии, составляющей 45° с осями X, у, волна создает только вращательный момент. Посчитать величину момента для произвольного положения гантели можно, если известен угол между направлением эквивалентной силы и 91ч- Массовый квадруполь г /к (гантель) на фоне поля ускоре-осью гантели. Фактически по тому *ий в 'плоско? гравитационной
же принципу работает рамочная волне
антенна токийской гравитационно-волновой группы (§ 6.6). Из характера симметрии поля ускорений волны ясно, что этот угол должен быть равен 2ф при повороте самой гантели лишь на <р (например, по отношению к оси х). Тогда момент силы
