Валентин Руденко

«Поиск гравитационных волн». Глава из книги

Реликтовый гравитационно-волновой фон

Чрезвычайно интересно и важно было бы зарегистрировать реликтовое гравитационное излучение, рожденное в эпоху Большого взрыва, и отделившееся от вещества в процессе расширения Вселенной. Как полагают космологи, подобно фону реликтовых фотонов, открытому в 1965 г. и интенсивно изучаемому сейчас, должен существовать и фон реликтовых гравитационных волн, гравитонов, с весьма разнообразными частотами.

Реликтовый электромагнитный фон, его пространственные неоднородности (флуктуации) несут информацию о том, какой была Вселенная, точнее, ее горячая материя, спустя примерно миллион лет после Большого взрыва. Именно тогда в результате расширения и остывания первородной плазмы фотоны смогли отделиться от остального вещества, поскольку оно стало прозрачным для излучения. В дальнейшем это излучение расширялось самостоятельно и остывало. В наши дни, спустя 14 млрд. лет после Большого взрыва, мы воспринимаем его как почти изотропное реликтовое микроволновое радиоизлучение с температурой около 3 K.

Подобное должно было произойти и с гравитационным излучением, но с одним весьма серьезным отличием. Гравитационное взаимодействие самое слабое из всех, известных нам сегодня. Например, в атоме водорода гравитационное взаимодействие между протоном и электроном слабее электромагнитного в 2,3 · 1039 раз. По этой причине гравитоны могут отделиться от вещества гораздо раньше фотонов. Как показывают теоретические оценки, Вселенная становится прозрачной для гравитонов уже в возрасте, сравнимом с планковским временем, т. е. спустя всего лишь 10–43 сек после Большого взрыва!

Таким образом, если удастся зарегистрировать реликтовый гравитационный фон и измерить его характеристики, такие как плотность, температура и т. п., то мы подойдем к началу мироздания невообразимо близко. Кстати, именно по этой причине некоторые скептики считают эту задачу практически невыполнимой. Между тем, физики заметили, что, в отличие от электромагнитного излучения, первичное гравитационное излучение может усиливаться параметрически (т. е. частотно-избирательно) в сильно меняющемся гравитационном поле Вселенной на ранних стадиях ее эволюции. Поэтому его спектр, в отличие от спектра фотонов, может быть неравновесным, не планковским, а иметь повышенную интенсивность в отдельных диапазонах частот.

В теории существуют различные сценарии развития этого фона. В оптимистическом варианте фоновое среднее значение метрических вариаций в диапазоне приема гравитационных антенн (~100–1000 Гц) ожидается на уровне h ~ 10–24 при очень узкой полосе приема Δf = 3 · 10-8 Гц. На первый взгляд кажется, что его детектирование возможно, особенно после изучения ситуации с пульсарами. Однако положение здесь значительно сложнее.

Есть принципиальное различие в задачах детектирования очень слабых сигналов электромагнитной и гравитационной природы. И в том, и в другом случае нам необходимо выловить очень слабый сигнал на фоне собственных шумов детектора. В случае с электромагнитным сигналом мы можем, открывая и закрывая апертуру антенны, сравнивать шумы детектора с потоком «сигнал + шум» и таким образом выделять сигнал. Но в случае с гравитационными волнами «закрыть вход антенны» мы не можем: гравитационной экранировки не существует! Известная задача теории обнаружения «одного шума на фоне другого шума» имеет решение при отличии их законов распределения. Но как реликтовый гравитационный фон, так и собственный шум гравитационной антенны предполагаются нормальными гауссовыми шумами. В такой ситуации есть единственная возможность — необходимо измерять взаимную кросс-корреляционную функцию выходных сигналов двух совершенно одинаковых гравитационных детекторов.

Идея этого метода состоит в том, что приходящий из космоса «сигнальный шум» для обеих антенн будет общим, одинаковым даже по фазе, поэтому он должен дать заметный (в пределе — единичный) вклад в кросс-корреляцию. Напротив, собственные шумы антенн независимы, так что их кросс-корреляция должна стремиться к нулю. Простые расчеты показывают, что отношение сигнал/шум на выходе коррелятора будет накапливаться и расти со временем пропорционально корню из времени накопления и ширины полосы приема. При этом даже чувствительности антенн на уровне h ~ 10-21 Гц–1/2 хватает, чтобы поймать вариации метрического фона ~ 10–24 за время наблюдения равное одному году. Но это при условии, что два приемника находятся в одном месте (для полной тождественности фазы «сигнальных шумов»). На практике антенны разнесены — чем дальше, тем лучше; этого требует стратегия «алгоритма совпадений». В итоге нарушается условие коррелированности «сигнальных откликов» антенн, и отношение сигнал/шум сильно падает. Факторы ослабления сейчас рассчитаны практически для всех известных пар детекторов глобальной сети; в лучшем случае они порядка одной десятой и меньше. Поэтому требуется увеличение чувствительности антенн обоих типов.

Радикальное решение этой проблемы — строительство двух детекторов в одном месте. Это и сделано на интерферометрической антенне Хенфорда. Там в одной вакуумной трубе-световоде параллельно смонтированы два интерферометра с плечами в 2 и 4 км. Остается ждать результатов.


4
Показать комментарии (4)
Свернуть комментарии (4)

  • Patrice  | 15.10.2009 | 18:35 Ответить
    Он зарегистрирован.Я имею ввиду гравитационный квант- источник гравитационного излучения.
    Ответить
  • outty  | 08.06.2010 | 16:53 Ответить
    А можно поподробнее?
    Ответить
  • R.Raikhlin  | 25.02.2011 | 14:57 Ответить
    Для полноты сообщения целесообразно было бы помянуть авторские свидетельства (патенты) полученные мной в соавторстве с Буниным. В этих патентах описаны способы и устройства для приема и передачи гравитационных волн. Простейшее из них представляет собой гравитационный элемент - в пробирку налит раствор AgNO/3/ Ионы серебра, как более тяжелые, оседают в растворе под действием силы тяжести до тех пор пока разность электрических потенциалов не скомпенсирует действие силы тяжести. Гравитационная волна вызывает колебание ионов серебра и, разумеется колебание электрического потенциала на концах элемента. Принцип взаимности действует и в данном случае. Антенну можно использовать, как при передаче, так и приеме гравиоволн..
    Ответить
  • ASY-Lviv  | 28.02.2016 | 22:06 Ответить
    ASY-Lviv
    Вселенная соткана из фотонов. Фотоны отвечающие за гравитацию самые мощные (импульсно энергетически насыщены) и потому в русле законов квантовой механики физически расположены в зоне предельно высоких частот. Согласно таблицы 16 ("Основы амерной астрофизики", гугл) частота гравиволн на поверхности планеты Земля составляет 1,5092 умноженное на 10 в 33 степени Гц, в центре Земли 2,92 умноженное на 10 в 36 степени Гц. Серия работ 21 века делает комически запредельной авантюрой, искать гравиволны в зоне звуковых частот.
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»