Гравитация и относительность - Цзю Х.
Скачать (прямая ссылка):
Другая задача состоит в увеличении чувствительности аппаратуры. Как было показано выше, эффективное сечение поглощения пропорционально квадрупольному моменту. Для нашего 1,5-тонного детектора эффективное сечение поглощения по грубой оценке равно квадрату первого боровского радиуса (10-16 см2). Это эффективное сечение довольно мало, но достаточно, чтобы начать эксперимент. Для обеспечения большего эффек-
Гравитационные волны
197
ТИІВНОГО сечения можно увеличить момент инерции ан* тенны. Ho при этом размеры детектора станут еще боль* ше, а они и так уже велики (длина нашей установки равна 3 M1 а диаметр — 2м).
Земля и Луна как детекторы гравитационных волн
Между тем в качестве детектора можно использовать сам земной шар [1]. Он имеет большие размеры и находится под рукой. Его можно превратить в измеритель* ный прибор, по крайней мере в принципе. Квадруполь-ный момент Земли на много порядков больше квадру-польного момента нашего цилиндра.
Во время Чилийского землетрясения сейсмологической группой Калифорнийского технологического института и другими учеными наблюдались нормальные колебания Земли. Мы можем воспользоваться данными этих наблюдений о нормальных колебаниях Земли и на их основании оценить верхний предел потока гравитационного излучения [3].
Какие же сведения можно было бы получить їв идеальном случае из данных о деформации Земли? Земля имеет много типов нормальных колебаний. Некоторые из них обладают симметрией, обеспечивающей их возбуждение гравитационными волнами, а некоторые такой симметрией не обладают (например, колебания со сферической симметрией гравитационными волнами возбуждаться не будут). Поэтому нам хотелось бы иметь информацию об амплитудах колебаний того и другого типа. При наличии такой информации мы могли бы с достаточной уверенностью судить о присутствии гравитационных волн.
Однако данные свидетельствуют о большом уровне шумов. Эти шумы не теплового происхождения, поскольку амплитуда колебаний земной коры, возбуждаемых за счет теплового движения, значительно меньше. Эти шумы вызваны ветрами на земной поверхности, которые дают большой шумовой фон за счет беспорядочных деформаций последней. Единственное, что мы можем сделать, это измерить уровень шумов и затем рассчитать верхний предел потока гравитационного излу-
198
Глава 5
чения. Ho при анализе данных не следует слишком спешить с выводами относительно гравитационного излучения Солнца. Нужно учитывать, что собственные колебания Земли затухают очень медленно. Для колебаний Земли с периодом 1 час при Q^400 «период успокоения» равен примерно 400 час.
Учитывая эти трудности, мы можем установить границы спектральной плотности тензора кривизны, исходя из сейсмических данных. Предел спектральной плотности оказывается меньше 5-Ю~16см~^ • рад~1 • сек~1. Столь ничтожную величину трудно себе представить. Достаточно сказать, что в таком эксперименте можно было бы обнаружить лишь волны, приводящие к искривлению пространства с локальным радиусом кривизны по грубой оценке менее одного светового года. Следовательно, Земля оказывается не таким уж хорошим детектором, как можно было бы ожидать.
Чтобы обойти проблему ветровых шумов, можно, например, для обнаружения гравитационного излучения использовать Луну. У нее большое эффективное сечение — порядка сотен квадратных метров (если принять, что колебательным состояниям Луны соответствует Q«400). На Луне не должно быть ветров и, надо надеяться, нет большой сейсмической активности. Если Луна на самом деле такое спокойное место, то она была бы исключительно хорошим детектором гравитационных волн. Мы уже проводили расчеты тех ограничений, которые накладываются движением Земли и Солнца на «характеристики» Луны как детектора гравитационного излучения. Чтобы использовать Луну в качестве такого детектора, нужно, как мы полагаем, запустить искусственный спутник, который был бы оснащен гравиметром и мог, опустившись на поверхность Луны, передавать на Землю телеметрические данные о движении лунной поверхности. Гравитационные волны можно было бы также обнаруживать, наблюдая движение Луны вокруг Земли. He исключено, что некоторые отклонения в движении Луны и планет, до сих пор еще не нашедшие объяснения, обусловлены действием гравитационных волн. Ho пока что данные о таких отклонениях не настолько ясны, чтобы дать им подобную интерпретацию.
Гравитационные волны
199
Генерирование гравитационного излучения
При различных процессах во Вселенной, связанных с движением материи в астрономических масштабах, могут в принципе возникать значительные потоки гравитационной энергии. Источниками такого излучения прежде всего могли бы быть двойные звезды, в особенности если обе звезды карликовые [4, 5]. Такие звезды вращаются относительно друг друга с фантастическими скоростями1). Мы не знаем, много ли таких объектов существует во Вселенной. Гравитационные волны могут возникать и при процессах столкновения нейтральной материи.
Так или иначе существует ряд возможных источников космического гравитационного излучения, которое мы хотим обнаружить. Ho теперь мне хотелось бы поговорить о возможности генерирования гравитационных волн в лаборатории.
