Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
II. Взаимодействие обычной материи с гравитационной волной, устройство наземных лазерных гравитационно-волновых антенн
Принцип эквивалентности не только “затрудняет” излучение гравитационных волн, но и “делает” взаимодействие между обычной материей и такими волнами очень слабым. Электромагнитная волна (в классическом приближении) может быть обнаружена в точке. Если электромагнитная волна распространяется вдоль оси х, то вектор напряженности электрического поля волны должен быть в плоскости и расположенные рядом электрические заряды разных знаков (например, электрон и протон) в таком поле должны колебаться (в первом приближении) в этой же плоскости, параллельно вектору напряженности, но в противоположных направлениях. Эти колебания могут быть зарегистрированы, в принципе, по величине смещения одного заряда относительно другого (или относительно незаряженной массы). Если в плоскости yz расположить вдоль направления вектора электрического поля металлический стержень (в котором протоны, входящие в состав ядер, “жестко закреплены”, но есть много свободных электронов), то стержень будет заряжаться так, что в один полупериод электромагнитной волны один конец стержня будет заряжен положительно, а второй - отрицательно. В следующий полупериод - наоборот. Два таких стержня, расположенных последовательно образуют антенну (изобретенную еще в 1887 г. Г.Р. Герцем), которыми уставлены многие крыши домов на нашей планете для приема электромагнитных волн (телевизионных передач). Можно сказать, что электромагнитная волна это распространяющееся волновое поле поперечных переменных ускорений для электрических зарядов. В отличие от нее гравитационная волна это также распространяющееся волновое поле, но поперечных переменных неоднородных ускорений (градиентов ускорений). Если гравитационная волна распространяется вдоль оси х, и если в плоскости yz разместить свободные точечные массы, то из-за конечной разности расстояний между массами можно наблюдать колебания одной массы относительно другой с частотой волны Mgrav. Если пара масс расположена вдоль оси у, то величина амплитуды колебаний в А направлении у равна
А/ = - hl, (1)
2 v 7
4
где l - расстояние между массами, h - амплитуда возмущения метрики, вызванного гравитационной волной. Если пара масс расположена вдоль оси z, то колебания будут в противофазе по отношению к колебаниям первой пары (см. рис. 1).
Простая формула (1) подчеркивает с одной стороны универсальность взаимодействия гравитационной волны с материей, с другой стороны нелокаль-ность взаимодействия (необходимость иметь конечное l). Очевидно, что относительные колебания с амплитудой А вызваны реальной силой
1 2
Fgrav — ~h х m®grav, (2)
где m - величина пробной массы. Ясно, что и сила Fgj.av и вызванные ею колебания с амплитудой А порождены градиентом ускорения. Очевидно также, что вместо точечных масс можно использовать протяженное тело, в котором сила Fgrav возбудит механические колебания. Эта идея была высказана впервые профессором Мэрилендского Университета (США) Дж. Вебером. Он реализовал экспериментальную программу поисков всплесков гравитационного излучения (1959-1969), используя в качестве приемников удлиненные полуторатонные алюминиевые цилиндры, хорошо изолированные от сейсмических шумов. Цилиндры, размещенные на расстоянии около тысячи километров друг от друга в вакуумных камерах, должны были “вздрагивать” синхронно (схема совпадения) на частотах близких к самой низкой по частоте резонансной механической моде колебаний цилиндра (около 1 кГц). В 1969 он объявил об открытии таких всплесков с амплитудой возмущения метрики h = 10-16. В 1971-1973 несколько групп исследователей разных стран (в том числе и группа из физического факультета МГУ совместно с группой из Института Космических Исследований РАН) повторили его опыты и получили отрицательный результат. Частичным оправданием Дж. Веберу служит одно важное обстоятельство: к этому времени теоретики-космологи еще не имели надежного прогноза частости таких всплесков и величины амплитуды
возмущения метрики h (и соответственно величин Fgrav и Al).
Астрофизический прогноз (см. предшествующий раздел) предсказывает один всплеск примерно раз в месяц со средней частотой Mgrav = 2лМ0'сек1 и плотностью потока мощности = 10эрг /(сек • см2) —10-2 Вт/ м2. Этой величине соответствует амплитуда возмущения метрики h = 10-21 т. е. на пять (!) порядков меньше, чем в опытах Дж. Вебера.
* Название LIGO - аббревиатура от Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория); VIRGO (название франко-итальянского проекта)- латинское ДЕВА - название созвездия, в котором наземные астрономы часто наблюдают вспышки сверхновых звезд в скоплении галактик, эти вспышки могут сопровождаться всплесками гравитационного излучения.
