Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Если расположить две свободные пробные массы на расстоянии
5
I z
П
И
iBx
,>f'-I
A'
y'
\s
s\ T
" V 1
—к
I
?
П
<X
+
V3
i
IV
рис. 1
СТРУКТУРА ПОЛЯ УСКОРЕНИЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ПЛОСКОЙ
ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНОЙ, РАСПРОСТРАНЯЮЩЕЙСЯ В
НАПРАВЛЕНИИ X. НА РИСУНКЕ СТРЕЛКАМИ ИЗОБРАЖЕНЫ УСКОРЕНИЯ ПРОБНЫХ МАСС I, II, III, IV (РАЗМЕЩЕННЫХ В ПЛОСКОСТИ yz) И ПРОБНЫХ МАСС I*, II*, III*, IV* (РАЗМЕШЕННЫХ В ПЛОСКОСТИ y’z’). ЭТИ УСКОРЕНИЯ МОГУТ БЫТЬ ИЗМЕРЕНЫ НАБЛЮДАТЕЛЯМИ АЙВ . РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ПЛОСКОСТЯМИ yz И y’z’ РАВНО ПОЛОВИНЕ ДЛИНЫ ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНЫ.
l = 4 км, то возмущение метрики с h = 10-21 приведет к колебаниям пробных масс с амплитудой Al = 2 х 10 16 см (!). Если величина пробных масс m = 104 2 = 10 кг, то такие колебания возникнут в результате действия на них разности сил с амплитудой Fgrav = 2 х 10 -6 дин = 2 х 10 -11 Ньютон (!). Приведенные величины и есть основные цели на первом этапе в двух международных проектах LIGO и VIRGO* - наземных лазерных гравитационно-волновых антеннах. Две антенны LIGO уже “работают” с 2000 г. и по настоящее время (лето 2003 г.). Одна антенна VIRGO “вступит в строй” в ближайшие месяцы (см. подробнее в обзоре [6] и в цитированных в нем оригинальных статьях). История возникновения этих двух проектов заслуживает здесь краткого освещения. В 1962 г., сразу же после изобретения Т. Мейманом лазера, советские физики М.Е. Герценштейн и В.И. Пусто-
6
войт [7] предложили использовать два далеко разнесенных, свободно подвешенных массивных зеркала (в качестве пробных масс), которые используются как оптический резонатор Фабри-Перо. Накачка резонатора мощным когерентным излучением от лазера должна обеспечить высокую чувствительность при измерении малых колебаний таких зеркал. Эта идея, сформулированная за 7 лет до “открытия” Дж. Вебера на алюминиевых цилиндрах, оказалась весьма плодотворной, во-первых, потому что совершенствование лазеров различных типов привело к тому, что теперь в распоряжении физиков-экспериментаторов имеются оптические автогенераторы с очень узкой линией генерации и очень высокой стабильностью средней частоты. Во-вторых, потому, что оптики-технологи научились делать такие отражающие зеркала (на них нанесено 20-30 пар тонких слоев диэлектриков), которые обладают замечательной отражательной способностью: из 106 фотонов, падающих на зеркало, “гибнет” (превращается в тепловые фотоны) один (!), а остальные отражаются. В результате многих отражений малая величина Al = 2 х 10 -16 см превращается на выходе резонатора в относительно большой сдвиг фазы оптической волны порядка Аф = 10-8 рад. В антенне два взаимно перпендикулярных плеча (два резонатора Фабри-Перо), оптические колебания, возбужденные одним лазером, после прохождения через них “складываются” (интерферируют) на фотодетекторе. Малый сдвиг фаз Аф превращается в изменение мощности электрического тока на выходе фотодетектора (см. рис. 2). Первые, “настольные” опыты с моделями таких оптических интерферометров были выполнены Р. Дривером (Университет г. Глазго) и Р. Вайсом (Массачусетский Технологический Институт) в 70-ые годы. Опыты оказались успешными и в 1981 содружество этих двух экспериментаторов вместе с профессором К. Торном основали проект LIGO (см. подробности в [6, 8]). Первые 15 лет работы проводились на уменьшенном прототипе (l = 40 метров), размещенном в одном из зданий Калифорнийского Технологического Института (г. Пасадина). Уместно подчеркнуть, что это была абсолютно пионерская работа для
7
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АНТЕНН LIGO И VIRGO.
ДВЕ ПАРЫ ЗЕРКАЛ ОБРАЗУЮТ ДВА РЕЗОНАТОРА ФАБРИ-ПЕГО, КОТОРЫЕ РАЗМЕЩЕНЫ В ВАКУУМНЫХ ТРУБАХ. НА РИСУНКЕ ПОКАЗАНЫ СМЕЩЕНИЯ ЗЕРКАЛ ПРИ ОПТИМАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ВОЛНЫ.
8
Вид с вертолета (с высоты около 1 км) на одну из двух гравитационно-волновых антенн LIGO. Белая линия, уходящая на север (на фото — вверх) и белая линия, уходящая на запад (на фото - влево) это надземные 4-х километровые «туннели» в которых размещены стальные трубы диаметром 1м 20см. В трубах - вакуум 10-9 Торр и лучи лазера. Зеркала размещены в концах труб и в главном здании, где трубы сходятся. В главном (угловом) трехэтажном здании размещены: лазер, системы слежения, компьютеры экспериментаторов: зеркала в оптическом резонаторе обычно жестко крепятся на массивных оптических скамьях, а в этом (пробном) эксперименте они должны быть очень “нежно” подвешены (см. ниже), а с другой стороны - должны быть выставлены с точностью примерно в одну десятитысячную долю от размера оптической длины волны. Это удалось добиться специально разработанными следящими системами, которые “подстраивали” положение четырех зеркал, деликатно подвешенных на тонких стальных проволоках. Пятнадцать лет работы (почти без публикаций!) привели к положительному результату: прототип антенн надежно регистрировал (за время порядка 5 х 10-3 сек) сдвиг одного зеркала по отношению к другому на
