Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Приведенные в этом разделе примеры разработок качественно новых технологий и методов измерений это отнюдь не все, что сделано в содружестве LIGO. Объем этого обзора не позволяет перечислить все новые приемы и методы измерений уже созданные в рамках этой программы. Не вызывает сомнений, что эти методы и технологии найдут применение в других областях экспериментальной физики.
III. Ожидаемые результаты исследований на наземных гравитационно-волновых антеннах
В первом разделе этого обзора было отмечено, что в проектах LIGO и VIRGO в первую очередь ожидается обнаружение всплесков излучения от сливающихся двойных нейтронных звезд. Однако потенциально существуют и другие возможные источники всплесков в рабочем частотном диапазоне антенн (от 30 Гц до 1 кГц). К ним следует отнести взрывы сверхновых звезд. Такие взрывы происходят много чаще чем слияния нейтронных звезд (один раз в 20-40 лет в одной галактике). Однако теоретикам-космологам пока не удалось разработать модель такого взрыва, из которой следовал бы сценарий всплеска гравитационного излучения. Дело в том, что имеющиеся сценарии (удовлетворительно описывающие наблюдения) основаны на сферически симметричном взрыве. Но при такой картине нет гравитационного излучения (т. к. нет квадрупольной компоненты движения масс звезды во время взрыва). Вполне вероятно, что наличие значительного вращательного момента у такой звезды до взрыва, приведет к нарушению сферической симметрии движения массы во время взрыва и соответственно к всплеску гравитационного излучения.
Детальный анализ формы всплеска от слияния двух нейтронных звезд вне всякого сомнения должно помочь создать уравнение состояния для нейтронной материи, из которой состоят такие звезды. Уместно напомнить, что в земных условиях экспериментаторы таким видом материи не располагают.
Есть довольно большая вероятность, что с повышением чувствительности (на этапе LIGO-II или LIGO-III) удастся зарегистрировать всплеск гравитационных волн, возникающий при слиянии двух черных дыр (относительно небольшой массы). Теоретики- космологи на сегодня могут “предсказать” только то, что такие процессы возможны. Однако, как часты такие слияния - моделей нет. Очень важно отметить, что при слиянии черных дыр будут происходить процессы, для которых еще не разработаны теоретические методы анализа (гравитационный потенциал на поверхности черной дыры точно равен квадрату скорости света).
14
Иными словами, решение этой задачи - это случай решения ультрарелятивист-ского гравитационного взаимодействия. Несколько групп теоретиков в течение более десяти лет пытались (и пока безуспешно) решить эту задачу. По образному выражению одного из них в этом случае (т. е. при слиянии двух черных дыр) мы имеем дело только с эволюцией пространства и времени, а материи здесь нет. Можно и иначе характеризовать поиск такого рода всплесков: в этом случае будет проверяться ОТО для очень сильных гравитационных полей.
Кроме поиска всплесков от разных астрофизических явлений взрывного характера, есть еще одна “область применения” антенн LIGO и VIRGO: это поиски корреляций между зарегистрированными всплесками гравитационного излучения и другими событиями, регистрируемыми наземными устройствами в частности гамма-всплесками, сверхмощными ливнями космического излучения. И в этом случае можно надеяться получить качественно новую информацию о процессах в нашей Вселенной.
IV. Внеземные гравитационно-волновые антенны (проект LISA)
Проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna) сходен с проектами LIGO и VIRGO. В нем также используются свободные массы, удаленные на большое расстояние l, и лазерный интерферометр для измерения малых вариаций расстояния Al, вызванных гравитационными волнами. Количественное различие заключается в величине l и рабочем диапазоне частот гравитационного излучения: диапазон частот от 10-5 Гц до 10-2 Гц (т. е. много ниже чем в LIGO и VIRGO), а l =
5 х 106км = 5 х 1011 см (т. е. на 6 порядков больше чем в наземных антеннах). Соответственно проект LISA рассчитан на совершенно другие типы астрофизических источников (см. ниже). Пробными массами в этом проекте являются три спутника, которые находятся друг от друга на расстоянии 5 млн. километров, а все вместе на орбите Земли (вокруг Солнца). Эта “группа” спутников будет “размещена” примерно на расстоянии 20 млн. км от Земли (см. рис.3). В отличие от LIGO и VIRGO лазерные интерферометры LISA смогут использовать только одно отражение (из-за ослабления оптического потока, вызванного дифракцией).
Для того чтобы оценить насколько сложен этот проект уместно привести характерные величины для области частот вблизи 10-3 Гц, около которой LISA
будет обладать наибольшей чувствительностью h — 2-10-22: Mgrav = 2пх 10-3 s_1, Al = 5 х 10-11 см, agrav = 2 х 10 -15 см / s 2 . Величину Al = 5 х 10-11 см относительно нетрудно измерить даже при однократном отражении (ей соответствует
довольно большой сдвиг фазы Лф = 3 х 10 6 рад ). Ключевой величиной в этом
