Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим, наконец, способы детектирования гравитационных волн с периодом порядка возраста нашей Вселенной. Для этого нам надо выбрать излучатель, расположенный на расстоянии
L = c T
и
здесь С — скорость света, а T и — возраст Вселенной. Во Вселенной есть и такие электромагнитных фотонов! Это поверхность
источники
последнего
которой фотоны движутся к радиотелескопу (в центре круга). Температура этой поверхности является постоянной. Пунктирная линия представляет слабые неоднородности температуры на поверхности последнего рассеяния, созданные гравитационными волнами с длиной порядка расстояния от наблюдателя до поверхности последнего рассеяния. рассеяния (объяснение термина «поверхность последнего рассеяния» см. ниже). Правда, в отличие от других способов детектирования гравитационных волн, здесь мы не можем наблюдать переменности сигнала во времени — слишком уж длительный период. Но мы можем наблюдать «застывшую» картинку на небесной сфере.
22
Кроме того, в этом случае мы не знаем, когда вышел фотон, мы не можем измерять его задержку или сдвиг фазы излучения. Но мы можем измерять производную от фазы по времени — частоту фотонов. Сравнивая частоты фотонов, идущих с разных направлений, можно зарегистрировать гравитационные волны. Обсудим, как космологи сейчас пытаются детектировать космологические гравитационные волны.
Мы живем в расширяющейся Вселенной. Кинетические и динамические параметры расширения характеризуются масштабным фактором и его зависимостью от времени. Масштабный фактор - это функция, зависящая только от времени и показывающая как изменяется расстояние между двумя пробными частицами во Вселенной во время ее расширения.
В прошлом, когда масштабный фактор был примерно в тысячу раз меньше, расстояние между пробными частицами были в тысячу раз меньше, а вещество было в миллиард раз плотнее, во Вселенной была высокотемпературная плазма, состоящая из электронов, протонов, массивных слабовзаимодействующих частиц и фотонов. Количество фотонов было гораздо больше, чем количество частиц другого сорта в несколько миллиардов раз, и именно поэтому Вселенная называется "горячей". При расширении температура падает и Вселенная остывает. Темп расширения значительно более медленный, чем характерное время установления равновесия в горячей плазме, поэтому частицы в ней находятся в термодинамическом равновесии. Одной из таких частиц является фотон. В вакууме фотон распространяется со скоростью света, не изменяя своей частоты, в горячей плотной плазме из-за рассеяния на электронах фотоны меняют частоту и «забывают» первоначальную информацию.
Когда Вселенная расширяется настолько, что плазма остывает до температуры рекомбинации, то электроны начинают соединяться с протонами, образуя нейтральный водород, а фотоны, которые были в этом месте, начинают распространяться практически свободно. Фотон одна из частиц, которая была в плазме, и именно эти фотоны являются реликтовыми.
На рис.5 показано как движутся фотоны. В центре рисунка находится наблюдатель. Естественно, фотоны, вышедшие из места, нарисованного сплошной линией, идут во всех направлениях. Мы видим не все фотоны, а только те, которые дойдут до нас. Точки, из которых фотоны доходят до наблюдателя, образуют так называемую поверхность последнего рассеяния (она то и изображена сплошной линией). Это единственный источник во Вселенной, внутри которого мы находимся. Мы видим реликтовые фотоны со всех направлений. В момент рекомбинации температура этой поверхности равна примерно 3 000 K. Ее температура в современный момент времени 3 K. Это уменьшение температуры произошло из-за расширения Вселенной, из-за эффекта Доплера.
Надо сказать, что реликтовые фотоны обладают уникальным свойством. Температура по поверхности последнего рассеяния почти постоянна. Космологи называют это свойство изотропией. Температура изотропна с точностью до 3 милликельвин. Анизотропия — это разница температуры в разных направлениях на небе. Измерим телескопом яркость реликтового излучения в каком — либо
о
направлении на небе, повернем его на 180 и увидим, что температура изменилась примерно на 3 милликельвина. Это происходит из-за того, что Земля, солнечная система, наша Галактика двигаются сквозь реликтовое излучение с
23
некоторой скоростью - это, так называемый, кинетический член в анизотропии реликтового излучения, который отвечает за дипольную анизотропию. Поэтому по ходу движения температура чуть выше, сзади температура несколько ниже.
Помимо кинетического члена есть и потенциальные члены в анизотропии реликтового излучения, которые обязаны своему происхождению гравитационным полям очень больших масштабов. Масштаб переменности этих полей сравним с расстоянием до поверхности последнего рассеяния.
Во Вселенной должны существовать гравитационные волны с длиной, значительно превышающей расстояние до сферы последнего рассеяния. Давайте рассмотрим, как приливное гравитационное поле такой волны влияет на состояние реликтовых фотонов. Фотоны движутся с поверхности последнего рассеяния до наблюдателя. Как и в лазерном интерферометре появляется два свободных тела — источник фотонов (кусочек поверхности) и наблюдатель, который принимает эти микроволновые фотоны. Распределение потенциала в приливном поле имеет характерную седлообразную форму. Рассмотрим два направления, по которым гравитационный потенциал меняется наиболее сильно. Первое направление - изменение потенциала от минимального до экстремального значения (которое приходится на седлообразную точку) и вновь уменьшение его до минимального значения. Второе направление выберем так, чтобы потенциал менялся от максимального до экстремального значения, а затем вновь возрастал до максимального значения. Для седлообразной поверхности эти два направления перпендикулярны друг другу. Седлообразная точка является точкой экстремума и совпадает с положением наблюдателя. Фотоны двигаются с поверхности последнего рассеяния к наблюдателю. Когда они двигаются вдоль первого направления, т.е. по потенциалу вверх, они теряют энергию и становятся более красными, когда они "скользят" по потенциалу вниз, они приобретают энергию и становятся голубыми. Для одного фотона меняется частота, для ансамбля реликтовых фотонов меняется температура. Возникает следующая картина: в направлении на минимум потенциала наблюдается понижение температуры, в других направлениях, наблюдается повышение температуры. Возникает характерная квадрупольная компонента в угловом распределении температуры по небесной сфере или, как говорят космологи, возникает квадрупольная флуктуация
