Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Поэтому при уменьшении базы отношение сигнала к шуму становится хуже. Число отражений определяется способностью подавлять механический шум, т. е. качеством установки зер* кал.
Весь путь луча и зеркала должны находиться в вакууме, а минимальный диаметр зеркала зависит исключительно от длины светового пути. Винклер оценивает, что для /'= 150 м зеркала диаметром 30 см могут вместить число световых пятен, необходимое для 1000 отражений.
Пределы чувствительности этого метода обусловлены четырьмя основными причинами, если считать, что дополнительный
332
Э. Амальди, Г. Пиццелла
шум, возникающий от низкочастотных флуктуаций на выходе лазера, устранен.
Этот шум в современных лазерах приблизительно на три порядка больше, чем предел дробового шума (см. ниже) в области частот от нескольких герц до приблизительно IO6 Гц, а затем вблизи IO7 Гц спадает до пренебрежимой величины. Он может быть устранен [170] перенесением измерений в этот диапазон частот путем введения в обоих плечах противоположно
Рис. 4.33. Интерферометр Майкельсоиа с базой, укороченной с помощью оптической линии задержки. Для простоты показаны только четыре отражения [173].
поляризованных ячеек Покельса1), которые модулируют соот* ветствующий световой луч на частоте vm ^ 2* IO7 Гц.
Фазовая модуляция синхронно демодулируется, давая сигнал ошибки, который пропорционален разности оптических пу* тей в двух плечах и, таким образом, представляет собой выход антенны.
Приведем четыре главные причины, которые ограничивают чувствительность:
1) статистические флуктуации числа регистрируемых фотонов (дробовой эффект),
2) броуновское движение масс, к которым прикрепляются зеркала,
1) Ячейки Покельса состоят из вещества КН2РО4, коэффициент преломления которого меняется пропорционально приложенному электрическому полю (равному нескольким кВ/см), параллельному направлению распространения света.
7. Поиск гравитационных волн
333
3) давление остаточного газа, который меняет коэффициент преломления,
4) статистические флуктуации импульса отдачи, сообщаемого массам фотонами.
Разрабатываемые в настоящее время установки [55, 69, 170, 173] предусматривают длину базы порядка 100—150 м, 500— 1000 отражений, массу зеркал 150 кг и сверхвысокий вакуум (Ю-10 мм рт. ст.).
При этих условиях чувствительность апериодических детекторов такого типа, по-видимому, должна быть на несколько порядков лучще, чем достигнутая с помощью резонансных детекторов.
Однако для получения удовлетворительного результата необходимо решить ряд весьма тонких технических задач. В частности, одной из них будет проблема подвески масс.
4.3. Широкополосные детекторы гравитационных волн средних частот
Аплин [И] из Бристольского университета разрабатывает «гантельную» антенну, состоящую из двух экспоненциально сужающихся «рогов», соединенных в центре по наименьшему сечению и простирающихся на 50 м. На концах прикрепляются массы по 270 кг. Центральный пьезоэлектрический датчик обеспечивает наличие демпфирующего элемента, который устраняет резонансные моды антенны. В анализе используется теория электрических цепей передачи. Антенна будет работать в диапазоне частот 1—10 кГц.
4.4. Апериодическое детектирование гравитационных волн сверхнизких частот
Методы, используемые для волн сверхнизких частот, полностью отличаются от используемых для волн средних частот. Волны сверхнизких частот (рис. 3.2), согласно Торну и Брагинскому [150], излучаются при коллапсе, в результате которого в ядрах многих квазаров и галактик, по-видимому, образуются сверхмассивные черные дыры (M ~ IO6 — 1010 M0). Всплески гравитационных волн, возникающие в результате этих событий, могут достигать Земли не чаще, чем 50 раз в год, и не реже, чем раз в 300 лет.
Обнаружение таких всплесков возможно в течение ближайших нескольких лет при использовании доплеровского слежения за межпланетными кораблями. Следящая станция на Земле посылает монохроматические электромагнитные волны с частотой, синхронизованной с высокостабильными часами
334
Э. Амальди, Г. Пиццелла
(эталонным генератором). Космический корабль принимает волны, усиливает их и передает обратно на Землю. Следящая антенна на Земле принимает возвращенные волны, сравнивает их с передаваемыми волнами, подсчитывая число периодов (и их частей) за время интегрирования /Инт, и из этого сравнения получает сдвиг частоты [10]. Измеренный сдвиг частоты в основном обусловлен скоростью корабля относительно Земли, HO он также содержит шумы различной природы: флуктуации частот, сдвиг эталонного генератора, изменяющуюся со временем
Всплеск
гравитационных
волн
Uk • Космический, г корабль
Земля Х
f
Av
V
R т
-W- О і " ¦ (/^ С050)ф —г-*— Zlfc
Рис. 4.34. Отклик на гравитационное излучение при доплеровском слежении
[156].
дисперсию электромагнитных волн в ионосфере Земли и в межпланетной среде и проходящие гравитационные волны.
Согласно Истабруку и Уолквисту [62], вклад гравитационной волны может быть следующим образом описан относительно эвклидовой координатной системы, ось х которой указывает направление распространения гравитационного импульса и образует угол 0 с направлением Земля — космический корабль (рис. 4.34).
