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 антеннаПравить

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 интерферометрПравить

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 детекторовПравить

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]

EGO — Европейская гравитационная обсерватория (англ.)
CLOVER telescope (англ.)
MiniGRAIL — детектор гравитационных волн в Университете Лейдена (Нидерланды).
Разрабатывается эксперимент LISA, в котором лазерный интерферометр будет находиться в космосе, с длиной плеча 2,5 млн км и чувствительностью к сдвигу пробных масс в 20 пм.
китайский университет Чжуншань объявил (2016) о запуске проекта «Тайцзи» по изучению гравитационных волн^[7]^[8].

См. такжеПравить

Гравитационная антенна
Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ЖЭТФ, 2014, том 146, вып.4 (10), стр. 779—793 (неопр.). Дата обращения: 19 февраля 2016. Архивировано 11 марта 2016 года.
↑ ЖЭТФ, 43, 605, 1962, см. также Soviet Physics JETP, v.16, № 2, 433, 1963.
↑ 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.
↑ Сипаров С. В. A two-level atom in the field of a gravitational wave — on the possibility of parametric resonance Архивная копия от 24 февраля 2015 на Wayback Machine // Astronomy & Astrophysics, № 416, 2004, с. 815—824) (англ.)
↑ Горелик В. С., Гладышев В. О., Кауц В. Л. О генерации и детектировании высокочастотных гравитационных волн в диэлектрических средах при их возбуждении оптическим излучением Архивная копия от 30 мая 2019 на Wayback Machine // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук.2018. Т. 45. № 2. С. 10-21.
↑ 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
↑ Китайский университет Чжуншань объявил о запуске проекта по изучению гравитационных волн Архивная копия от 23 февраля 2016 на Wayback Machine // «Жэньминь жибао», 15.02.2016
↑ КНР начала строительство по проекту изучения гравитационных волн Архивная копия от 22 марта 2016 на Wayback Machine // РИА, март 2016

СсылкиПравить

Проект LIGO Архивная копия от 26 января 2018 на Wayback Machine
Проект GEO600 Архивная копия от 6 апреля 2016 на Wayback Machine
Проект IGEC Архивная копия от 29 ноября 2012 на Wayback Machine
Поиск гравитационных волн
Популярный обзор на начало 2007 г.
Проект Дулкын Архивная копия от 17 декабря 2014 на Wayback Machine

[jetp1-1] ¹ ² ЖЭТФ, 2014, том 146, вып.4 (10), стр. 779—793 (неопр.). Дата обращения: 19 февраля 2016. Архивировано 11 марта 2016 года.

[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 Архивная копия от 24 февраля 2015 на Wayback Machine // 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 Архивная копия от 30 мая 2019 на Wayback Machine // 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 Архивная копия от 23 февраля 2016 на Wayback Machine // «Жэньминь жибао», 15.02.2016

[8] КНР начала строительство по проекту изучения гравитационных волн Архивная копия от 22 марта 2016 на Wayback Machine // РИА, март 2016

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]