Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
19
о
двойная звезда ¦
На рисунке изображена принципиальная схема детектирования гравитационных волн методом тайминга пульсаров. От пульсара к радиотелескопу, который стоит на Земле, распространяются импульсы. Гравитационные волны от двойной звезды (или другого источника излучения) распространяются перпендикулярно траектории пульсар — Земля. В этом случае возникает переменный показатель преломления для импульсов пульсара. Этот показатель не зависит от частоты импульсов. Конечно, чтобы получить плечо с эффективным размером порядка нескольких световых лет или больше необходимо искать соответствующие интерферометры в космосе. Там существуют такие источники радиоизлучения. Конечно, эти источники не могут работать как земные интерферометры, но принцип работы таких детекторов очень близок к ним.
VI. Пульсары и анизотропия РИ (реликтового излучения) как детекторы ГВ (гравитационных волн)
Длинные гравитационные волны с длиной волны в несколько световых лет тоже можно детектировать с помощью интерферометров. Если в качестве источника радиоизлучения взять пульсар, то размер плеча такого интерферометра будет равен расстоянию до пульсара. Пульсар - это нейтронная звезда в нашей Галактике, он является источником радиоимпульсов. Период следования импульсов является удивительно стабильным. Стабильность периода некоторых пульсаров сравнима со стабильностью лучших земных часов, а стабильность так называемых миллисекундных пульсаров даже превосходит земные часы. Поэтому вместо излучения лазера можно использовать излучение пульсара. На рис. 4 показана принципиальная схема регистрации гравитационных волн от двойной
20
звездной системы при помощи импульсов пульсара. Роль сдвига фазы оптического излучения здесь играет задержка импульсов. В том случае, когда радиоимпульсы пульсара распространяются в поле гравитационной волны, интервал между импульсами меняется. Как следствие, возникает неравномерность во времени их путешествия от пульсара до наблюдателя. Другими словами, импульсы пульсара приходят к наблюдателю через неравные промежутки времени. Неравномерность времени прихода импульсов равняется:
SP 1,
— = пР + n,M + 2 h (7)
Время прихода импульсов от различных пульсаров наблюдается уже несколько десятилетий. Этот метод изучения астрономических объектов называется таймингом пульсаров. Таким методом можно регистрировать не только монохроматические гравитационные волны, как показано на этом рисунке, но и стохастический фон волн, рожденных в ранней Вселенной.
Неравномерность прихода импульсов складывается из-за двух механизмов. Первый - это неравномерность посылки импульсов самим пульсаром, его внутренний шум тайминга. Второе слагаемое возникает из-за переменного показателя преломления межзвездной среды по пути радиоимпульса, неточность измерения времени прихода также дает вклад в тайминг и, наконец, влияние гравитационных волн по пути распространения импульса - это последнее слагаемое в формулу (7), которое для нас является наиболее интересным. Все остальные слагаемые просто мешают выделить последнее. Неравномерность, возникающую по пути, можно выделить и учесть, наблюдая пульсар на разных частотах. В межзвездной плазме импульсы распространяются с разной скоростью, и эта неравномерность тайминга легко выделяется радиоастрономическими методами. Неравномерность излучения импульсов тоже можно выделить и уменьшить, наблюдая несколько пульсаров. Шум приемной аппаратуры является самым фундаментальным. Его также можно учесть и уменьшить, как описано в предыдущих параграфах, но это требует очень больших усилий, которые до сих пор в радиоастрономии не применялись.
Остается резюмировать, что современная точность тайминга пульсаров
позволяет достичь точности измерений h на уровне 3 х 10-15 [13], в интервале периодов 1 - 3 года, что, однако, недостаточно для детектирования
гравитационных волн из космоса.
Здесь уместно вновь напомнить, что пульсары уже были использованы для проверки общей теории относительности. Уникальный космический прибор — двойной пульсар PSR 1913 + 16. Это тесная двойная система, один из компонентов которой — пульсар. Он обладает стабильностью достаточной для проведения прецизионных экспериментов по проверке общей теории относительности. Массы обеих компонент порядка солнечной массы, а близость двух масс обеспечивает сильное гравитационное поле. Все это позволило провести измерения классических тестов общей теории относительности, таких как: смещение периастра, эффекта Шапиро, кроме того, на этой системе был измерен эффект следующего порядка малости и, наконец, было измерено изменение орбитального периода двойной системы из-за потерь на гравитационное излучение. Измерения блестяще подтвердили предсказания Эйнштейна о существовании гравитационного излучения и сами уравнения общей
21
теории относительности. Нелишне напомнить, что за экспериментальное изучение общей теории относительности в гравитационной лаборатории, созданной самой природой — двойном пульсаре PSR 1913 + 16, астрономы, которые его открыли и изучали — Дж. Тэйлор и Ч. Халс — удостоены Нобелевской премии по физике.
