Детектор гравитационных волн

Дете́ктор гравитацио́нных волн (гравитационно-волновой телескоп) — техническое устройство, предназначенное для регистрации гравитационных волн. Согласно ОТО, гравитационные волны, образующиеся, например, в результате слияния двух чёрных дыр где-то во Вселенной, вызывают чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между пробными частицами вследствие колебаний самого пространства-времени. Эти колебания пробных тел и регистрирует детектор. Кроме того, такие детекторы способны измерять гравитационные возмущения геофизической природы[1]. Так, например, на интерферометрах LIGO и VIRGO были зарегистрированы модуляции со сидерической периодичностью[1].

Детектор гравитационных волн на базе двух резонаторов Фабри-Перо, поставленных под углом 90 град.

Гравитационная антенна

Наиболее распространены два типа детекторов гравитационных волн. Один из типов, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967 году, представляет собой гравитационную антенну — как правило, это металлическая массивная болванка, охлаждённая до низкой температуры. Размеры детектора при падении на него гравитационной волны изменяются, и если частота волны совпадает с резонансной частотой антенны, амплитуда колебаний антенны может стать настолько большой, что колебания можно детектировать. В пионерском эксперименте Вебера антенна представляла собой алюминиевый цилиндр длиной 2 м и диаметром 1 м, подвешенный на стальных проволочках; резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, амплитудная чувствительность пьезодатчиков — 10−16 м. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, и сообщил об обнаружении сигнала, источником которого с наибольшей вероятностью был центр Галактики. Однако независимые эксперименты не подтвердили наблюдений Вебера. Из действующих в настоящее время детекторов по такому принципу работает сферическая антенна MiniGRAIL (Лейденский университет, Голландия), а также антенны ALLEGRO, AURIGA, EXPLORER и NAUTILUS.

Лазерный интерферометр

В другом типе экспериментов по детектированию гравитационных волн измеряется изменение расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. Использовать интерферометр Майкельсона для непосредственного обнаружения гравитационных волн впервые предложили в 1962 году советские физики М. Е. Герценштейн и В. И. Пустовойт[2], но эта работа осталась незамеченной, а вторично эта идея была выдвинута американскими физиками в начале 1970-х годов.

Устройство интерферометрического детектора следующее: в двух длинных (длиной в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Когерентный свет, например лазерный луч, расщепляется, идёт по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга (деструктивно интерферируют), и освещённость фотодетектора оказывается нулевой. Но смещение одного из зеркал на микроскопическое расстояние (~10−16 см, что на 11 порядков меньше длины световой волны и составляет тысячные доли размера атомного ядра) приводит к тому, что компенсация двух лучей нарушается и фотодетектор улавливает свет.

В настоящее время гравитационные телескопы такого типа работают или находятся в стадии возведения в рамках американо-австралийского проекта LIGO (наиболее чувствительный), немецко-английского GEO600, франко-итальянского VIRGO и японского KAGRA (LCGT):

Проект Расположение телескопа Длина плеча
KAGRA Токио, Япония 3 км
GEO600 Ганновер, Германия 0,6 км
VIRGO Пиза, Италия 3 км
LIGO Хэнфорд, шт. Вашингтон, США 4 км
Ливингстон, шт. Луизиана, США 4 км

Данные измерений детекторов LIGO и GEO600 обрабатываются с помощью проекта Einstein@Home (распределённые вычисления на тысячах персональных компьютеров).

Другие типы детекторов

Описанные выше типы детекторов чувствительны к низкочастотным гравитационным волнам (до 10 кГц). Ещё более низкочастотный сигнал (10−2−10−3Гц), соответствующий периодическим источникам гравитационных волн типа тесных двойных, возможно, был зарегистрирован[3] с помощью метода, основанного на эффекте оптико-метрического параметрического резонанса[4]. В эксперименте используются наблюдения космических радиоисточников (мазеров) с помощью обычного радиотелескопа. Разрабатываются и высокочастотные варианты детекторов гравитационных волн, например, основанные на взаимном сдвиге частот двух разнесённых осцилляторов или на повороте плоскости поляризации микроволнового пучка, циркулирующего по петлевому волноводу.

Выдвинута гипотеза о возможности процесса детектирования высокочастотных гравитационных волн конденсированной диэлектрической средой путем преобразования гравитационного излучения в электромагнитное[5]

Выдвинута гипотеза о возможности детектирования низкочастотного гравитационного излучения путём использования в качестве гравитационных антенн блоков земной коры размерами 5-7*106 см.[6]

См. также

Примечания
  1. ЖЭТФ, 2014, том 146, вып.4 (10), стр. 779—793
  2. ЖЭТФ, 43, 605, 1962, см. также Soviet Physics JETP, v.16, № 2, 433, 1963.
  3. Сипаров С. В., Самодуров В. А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия Архивная копия от 29 октября 2013 на Wayback Machine // Компьютерная оптика № 33 (1), 2009, с. 79.
  4. Сипаров С. В. A two-level atom in the field of a gravitational wave — on the possibility of parametric resonance // Astronomy & Astrophysics, № 416, 2004, с. 815—824)  (англ.)
  5. Горелик В. С., Гладышев В. О., Кауц В. Л. О генерации и детектировании высокочастотных гравитационных волн в диэлектрических средах при их возбуждении оптическим излучением // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук.2018. Т. 45. № 2. С. 10-21.
  6. Брагинский В. Б., Митрофанов В. П., Якимов В. Н. О методах поиска низкочастотных гравитационных волн // Проблемы теории гравитации и элементарных частиц. Выпуск 17. - М., Энергоатомиздат, 1986. - с. 6-8
  7. Китайский университет Чжуншань объявил о запуске проекта по изучению гравитационных волн // «Жэньминь жибао», 15.02.2016
  8. КНР начала строительство по проекту изучения гравитационных волн // РИА, март 2016

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.