Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Скачать (прямая ссылка):
-18
Вселенной или частоту 10 Гц. Другими словами, диапазон, дозволенный для свободного распространения гравитационных волн, значительно шире диапазона свободного распространения электромагнитных волн. Происходит так потому, что коэффициент поглощения гравитационного излучения примерно на сорок
-40
порядков (10 ) слабее, чем у электромагнитного излучения. Это важное
отличие позволяет «аккумулировать» в гравитационном излучении значительно больше информации о состоянии вещества, которое излучает гравитационные волны.
Наша Вселенная расширяется. В расширяющейся Вселенной гравитационные волны претерпевают эволюцию, которую сейчас мы кратко опишем. Так же как и у электромагнитной волны, у гравитационной волны меняется частота, она испытывает красное смещение. Волна, которая была
испущена с частотой f g в некоторый момент времени в прошлом, будет наблюдаться с частотой f0. Меняться будет не только частота. Амплитуда волны
17
также будет адиабатически убывать. Если в начальный момент времени амплитуда волны составляла h , то сегодня она будет иметь величину h 0:
где z -красное смещение эпохи излучения [12].
Вселенная расширяется с момента времени, который называется «Большой Взрыв» или сингулярность. Волны - это колебательный процесс, который характеризуется периодом. Если с момента «Большого Взрыва» времени прошло меньше, чем период, то волна еще не успела «колебнутся» один раз и для наблюдателя такая волны выглядит застывшей неравномерностью пространства-времени. Поэтому в космологии выделяется момент времени, когда гравитационная волна приобретает свойства волнового процесса. Он называется моментом выхода волны из-под горизонта частиц и определяется равенством длины волны размеру горизонта частиц (длине светового пути с момента начала расширения).
Наиболее интересную информацию гравитационные волны будут приносить из ранней Вселенной, когда температура плазмы в ней была значительно выше, чем все температуры, полученные в условиях земных лабораторий.
Введем следующие обозначения: температуру окружающей плазмы в ранней Вселенной обозначим Tg, а амплитуда излучения пусть будет hg.
Температуру будем измерять в энергетических единицах - так принято в физике высоких энергий. Единица измерений 1 ГэВ (GeV) - гигаэлектроноволт, что
примерно соответствует 1013 K. Амплитуда и частота в современную эпоху
Волны с частотой 1 кГц, которые могут быть зарегистрированы интерферометром LIGO, излучаются, а, следовательно, и несут информацию о
будут:
h0 = 5 х 10-13 h
1GeV
I -------
g j
g
и
Вселенной с температурой 1011 ГэВ. Из этих формул можно исключить
температуру Tg и тогда получим совсем простую формулу:
h0 = 5 х 10 21 h — (6)
18
здесь f =1 Гц. Плотность энергии в таком излучении будет меньше, чем
плотность в реликтовом электромагнитном излучении, если амплитуда волн в момент излучения меньше единицы. Точнее, плотность энергии гравитационного излучения можно оценить как:
sg * hg 2 sr где SY — 4 X 10 13 эрг см 3.
Интересно также отметить, что когда температура во Вселенной составляет величину 103 -104 ГэВ, то гравитационные волны, которые генерируются в эту эпоху, сегодня попадают в диапазон детектора LISA f — 10 4 — 10 5 Гц.
Из формулы (6) видно, что следы каждой эпохи сохраняются в виде гравитационного излучения определенной частоты.
Изучая излучение на различных частотах, астрономы могут изучать различные эпохи, как биологи по кольцевым срезам дерева могут изучать состояние дерева в течение жизни. Поэтому для космологов и астрономов важны гравитационные волны самых разных частот, в идеале желательно наблюдать
гравитационные волны от частот порядка 10-18 Гц до частот порядка 1043 Гц. Естественно для столь чудовищно широкого диапазона частот необходимы разные детекторы. На различных типах детекторов мы сейчас и остановимся.
Гравитационные волны чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом (как было отмечено выше). Это свойство является большим недостатком для физиков, которые хотят зарегистрировать гравитационные волны. Однако для космологов, которые хотят использовать этот вид излучения как новый телескоп для изучения глубинных свойств материи и нашей Вселенной — это большое преимущество. От первых мгновений новорожденной Вселенной до нас могут доходить только гравитационные волны. Любые другие виды излучения будут поглощены чудовищной толщей горячего вещества. Только гравитационные волны могут донести до нас свойства Вселенной в эти первые мгновения ее жизни.
Выше были описаны проекты LIGO и LISA — проекты лазерных интерферометров. Эффективно такие интерферометры могут регистрировать волны с длиной порядка размеров плеча интерферометра.
