Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
ся
Фото внутри главного здания. Хорошо видна основная (горизонтальная) труба. В больших танках размещены антисейсмические фильтры, на которых подвешены зеркала, составляющие оптические резонаторы Фабри-Перо, коэффициентом трения H, которое в свою очередь определяет величину флуктуационной силы, действующей со стороны термостата на массу. Величина этой случайной силы Ffdt в полосе частот Af равна
,___________ (3)
FFDT= V4 kTH Af,
где к - постоянная Больцмана, Т - температура. Эта сила и “ответственна” за то, что подвешенное на тонких нитях зеркало (по существу - маятник Галилея) имеет среднюю величину энергии флуктуаций (Броуновских колебаний) равную кТ. Очевидно, что для обнаружения Fgrav необходимо, чтобы выполнялось неравенство
(4)
FFDT < Fgrav
11
Несложный расчет позволяет оценить величину H при Af= 102 Гц. Нужно, что*
бы время релаксации такого маятникового подвеса зеркала Т = m/H было бы больше чем 105 сек. Эта величина и была реализована в подвесе зеркал сегодня работающих антенн членами “команды” Калтека. Величины H = m/т = 0,1 г/см для планируемой величины h = 10-21 достаточно. Однако, для достижения h = 10-22 , как это видно из формул (3) и (4), необходимо уменьшить H и соответст-*
венно увеличить Т по крайней мере на два порядка. А если учесть, что крайне желательно иметь большое отношение сигнала к шуму (т. е. Fgrav должно быть
*
больше Ffdt хотя бы на порядок), то ясно что Т должно быть порядка нескольких лет. Эту задачу “об уровне нежности” подвеса зеркала решили члены группы МГУ В.П. Митрофанов и К.В. Токмаков. В течение нескольких лет исследований
*
им удалось создать подвес с величиной Т = 5 лет (!). Эта система будет использована на втором этапе LIGO-II (в 2007-2008 г.).
Кроме требований к подвесу зеркала есть и набор требований и к самому зеркалу, которое само по себе является термостатом, и механические моды которого имеют среднюю энергию кТ, которая флуктуирует (броуновские колебания механических мод зеркала). Чтобы снизить вклад этого шума в колебания поверхности вблизи частот около 100 Гц существует одна возможность: увеличивать добротность механических мод. Недавно сотруднику Сиракузского Университета (США) С. Пенн совместно с выпускником МГУ А.Ю. Агеевым удалось достигнуть добротностей механических колебаний плавленого кварца, подвергнутого очень глубокой очистке, достигших величины 2 х108. Расчет, который мы здесь не приводим, показывает, что этого вполне достаточно, чтобы достигнуть чувствительности, соответствующей h = 10-22.
Выше было отмечено, что все же существуют препятствия квантового прохождения, при повышении чувствительности. Эти препятствия, обычно называемые стандартными квантовыми пределами.
Установка зеркал в танках требует защиты их рабочей поверхности от пыли. На
12
фото (справа) директор одной из антенн Д-р. Ф. Рааб и один из авторов этого обзора в «скафандрах», защищающих зеркала от попадания пыли во время их установки в антенне.
Фото одного из зеркал (пробных масс антенны) в руках оператора. Зеркало изготовлено из плавленого кварца высокой чистоты (потери на поглощение: 10"6 на длине 1 см). Поверхность зеркала — вогнутая (радиус кривизны 14 км) изготовлена с уровнем точности 10 см, покрыта многослойным диэлектрическим отражателем (отличие коэффициента отражения от единицы порядка 10"5). (Standard Quantum Limits - SQL), возникают, если в измерительной системе выбрана “неправильная” наблюдаемая - координата (они известны более тридцати лет [10]). Происхождение SQL пределов очень простое: они есть следствие соотношений неопределенностей Гейзенберга для координаты и импульса, и конечности времени измерения Ттеаs. В соответствии с этими соотношениями при протяженном во времени измерении координаты непрерывно немного возмущается импульс (т. е. и скорость, если пробная масса - свободная). В течение полного времени измерения Тщеся возмущение в начале интервала превращается в добавочное возмущение координаты. В результате за полное время измерения Ттеаs координату свободной массы m нельзя измерить точнее чем
Ax —
^SQL —
hr,
= 1,6 х 10 17 cm
2m
5 х 10-
Г
х
m
10 gram
5)
3
s
Эта величина очень близка к планируемой в LIGO-II Ax — 2 х 10 -17 см ! Иными словами, на втором этапе LIGO экспериментаторы должны вплотную приблизиться к “зоне” квантового “поведения” макроскопических зеркал и к тому же при комнатной температуре.
13
Как обойти препятствие SQL известно давно: например не следует измерять Al, но сделать измеритель, который регистрировал бы только изменение скорости (или импульса) одного зеркала относительно другого. В настоящее время в содружестве LIGO идет интенсивная проработка новых, как принято называть, топологий лазерных гравитационно-волновых антенн, чувствительность которых не ограничена величиной SQL. Наиболее перспективные из них предложены членом группы МГУ Ф.Я. Халили. По-видимому, в ближайшие годы эти топологии будут опробованы на макетах с тем, чтобы по завершении этапа LIGO-II (примерно в 2010-2011 гг.) приступить к очередной переоснастке антенн. Существующие сегодня оценки возможностей новых квантовых методов измерений позволяют надеяться выиграть в чувствительности по крайней мере раза в 3-5, т. е. достигнуть чувствительности h = (2-3)-10-23 на третьем этапе LIGO.
