Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Н. Резник
Как черепахи нарыли себе панцирь


Интервью с Б. Янишем
Наследники Поппера


А. Гуков
Крупные животные Арктики: сколько их осталось?


А. Огнёв
Откуда жизнь? Еще теплее!


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Сейсмометрия установила новые ограничения на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной


Периодические деформации тела под действием гравитационной волны

Рис. 1. Периодические деформации тела под действием гравитационной волны. Обратите внимание, что картинка некорректно передает направление движения волны: волна, вызывающая такие деформации, должна распространяться не в плоскости рисунка, а перпендикулярно ей. Величина деформаций для наглядности усилена примерно на 20 порядков. Изображение с сайта gwoptics.org

Вселенную заполняет гравитационно-волновой шум — беспорядочное наложение гравитационных волн, излученных в самых разных процессах за всё время жизни Вселенной. Обычно эффект от гравитационных волн ищут на специальных сверхчувствительных приборах, детекторах гравитационных волн. Авторы нового исследования пошли иным путем — они использовали данные специально выбранных сейсмометров. Обработав показания за 2012 год, они установили новые ограничения сверху на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной в миллигерцовом диапазоне. В этой области частот полученные ограничения в миллиард раз превосходят то, что было известно до сих пор.

Гравитационные волны и их поиски

В современной физике гравитация описывается как результат искривления пространства-времени. Массивные тела создают искажения пространства вокруг себя, и эти искажения влияют на движение других тел. Но эти искажения могут также существовать и распространяться в пространстве и сами по себе, сколь угодно далеко от породившего их тела. Такие периодически колеблющиеся искривления пространства-времени называются гравитационными волнами, и их поиск является одной из заветных целей современной астрофизики.

С одной стороны, в существовании гравитационных волн сомневаться не приходится. Это неизбежное следствие общей теории относительности — современной теории гравитации, — которая уже очень хорошо подтверждена экспериментально. Более того, некоторые астрофизические наблюдения указывают на существование гравитационных волн. Самый яркий пример — это пульсар в тесной двойной системе, в которой пара нейтронных звезд вращается друг вокруг друга и одна из них видна на Земле по периодическим всплескам излучения. Из-за больших масс нейтронных звезд и их тесного расположения заметная часть энергии их движения тратится на излучение гравитационных волн. В результате две нейтронные звезды постепенно сближаются, их движение убыстряется, что должно быть заметно по уменьшающемуся периоду всплесков от пульсара. Этот эффект действительно был обнаружен на примере пульсара PSR1913+16, что принесло его первооткрывателям Нобелевскую премию по физике за 1993 год (см. подробности в статье: К. М. Уилл. Двойной пульсар, гравитационные волны и Нобелевская премия // УФН. 1994. Т. 164. С. 765–773).

С другой стороны, все свидетельства в пользу существования гравитационных волн остаются пока что косвенными — будь то изменение периода пульсара или влияние гравитационных волн на свойства реликтового излучения (ходят слухи, что как раз на днях ожидается объявление об этом открытии). Несмотря на полвека поисков, гравитационные волны до сих пор не были зарегистрированы напрямую, то есть по характерному механическому смещению сверхчувствительной аппаратуры. Проблема тут в том, что эти смещения исключительно малые. Чувствительности детекторов гравитационных волн пока что не хватает для надежной регистрации всплесков гравитационных волн, приходящих на Землю. Говоря точнее, современные детекторы уже смогли бы зарегистрировать такой всплеск от относительно близкого по космологическим масштабам события, но только ждать его придется довольно долго. Однако аппаратура постоянно совершенствуется, а область космоса, доступная «прощупыванию» гравитационно-волновыми детекторами, увеличивается, и сейчас ожидается, что до первого настоящего сообщения о «поимке» гравитационных волн остаются считанные годы.

В охоте за гравитационными волнами есть два существенно разных направления поисков. Во-первых, это попытки уловить одиночный всплеск волн, гравитационное эхо от какого-то сверхмощного единичного события (например, слияния двух нейтронных звезд или взрыва сверхновой), случившегося в не слишком далекой от нас галактике. Динамика таких событий более-менее предсказуема, поэтому примерно известен тот диапазон частот гравитационных волн, в которых стоит ждать первого успеха, — это десятки и сотни герц. На этот диапазон как раз и настроены основные детекторы гравитационных волн.

Во-вторых, существует стохастический гравитационно-волновой фон — беспорядочный шум из гравитационных волн разного происхождения, которые летают в пространстве, накладываются друг на друга и заполняют собой всю Вселенную. Он включает в себя волны, порожденные в самой ранней и очень горячей Вселенной, в которой происходили грандиозные катаклизмы, а также волны от одиночных взрывов или слияний массивных космических объектов, накопившиеся за всю историю Вселенной. Если провести акустическую аналогию, то одиночный всплеск волн — это короткий и громкий крик, который слышен тем тише, чем дальше мы от источника, а стохастический фон — это непрерывный шум, пусть не такой громкий, но зато равномерно заполняющий всё пространство. Частоты таких гравитационных волн могут лежать в широком диапазоне, и физики пытаются зарегистрировать этот фон всеми доступными им способами.

Земля как детектор гравитационных волн

Гравитационная волна — это искажение пространства, ощущаемое локально как дополнительное гравитационное воздействие. Это воздействие вызывает деформации тел, причем деформации очень характерного типа. Самый простой тип — это периодическое сжатие и растяжение тела в двух направлениях в противофазе (рис. 1). Эти два направления деформации перпендикулярны направлению движения волны; скажем, если волна пришла сверху, то тело под действием волны слегка сожмется и слегка растянется в двух горизонтальных направлениях, а через половину периода сжатие и растяжение поменяются местами.

Интенсивность гравитационной волны задает относительное искажение тела, поэтому чем больше само тело, тем больше будет и абсолютная величина деформации. Возникает естественное желание использовать для регистрации гравитационных волн максимально крупный объект, доступный нам для непосредственного измерения, — саму Землю. Деформацию Земли с высокой частотой измерить трудно, однако можно измерять локальные колебания земной поверхности, и в распоряжении ученых уже давно имеются приборы, регистрирующие такие колебания, — сейсмографы.

Сразу же становится понятно, что эта красивая идея наталкивается на такую же естественную трудность — сейсмическую активность. Земля постоянно дрожит, иногда сильнее, иногда слабее; эта дрожь вызвана внутренними процессами, а вовсе не прохождением гравитационных волн. В 70-х годах были сделаны первые попытки если не зарегистрировать гравитационные волны, то хотя бы получить ограничения сверху на их интенсивность (см. Т. Mast et al., 1972. Search for Seismic Signals from Gravitational Radiation of Pulsar CP1133), однако быстро стало ясно, что специализированные детекторы справляются с задачей лучше, что любой сейсмограф. Специализированный детектор максимально заэкранирован от сейсмичности и измеряет он собственную деформацию, в то время как сейсмографы регистрируют деформацию Земли, но не могут отличить гравитационную волну от естественной сейсмичности.

Подробности новой работы

Исследование, опубликованное на днях в журнале Physical Review Letters, возрождает эту старую идею. Авторы воспользовались тем фактом, что сейчас во всём мире есть широкая сеть сейсмических станций и что их данные находятся в открытом доступе. Это позволяет не ограничиваться показаниями какого-то одного конкретного сейсмографа, а искать корреляции между их показаниями — ведь гравитационная волна, воздействуя на всю Землю целиком, должна наводить сигнал во всех сейсмографах.

Конечно, и тут ни в коем случае нельзя забывать про естественный сейсмический шум. Скажем, сравнивать друг с другом близкие сейсмические станции бессмысленно: они одинаково реагируют на локальные мелкие землетрясения. Сравнивать два сейсмометра, находящиеся в произвольных местах Земли, тоже не слишком полезно, ведь они могут по-разному реагировать на прохождение гравитационных волн. Наиболее оптимальным является выбор пары сейсмографов, расположенных почти в диаметрально противоположных точках Земли, — их отклик на волну будет одинаков, а сейсмический шум максимально расцеплен друг от друга. При этом желательно выбрать такие пары, которые находятся в не слишком сейсмически активных зонах. В результате подробного исследования авторы работы выбрали 20 пар сейсмографов, которые удовлетворяют этим критериям (рис. 2).

Выбранные для данного исследования пары сейсмометров

Рис. 2. Выбранные для данного исследования пары сейсмометров, находящиеся в диаметрально противоположных областях земного шара. Изображение из обсуждаемой статьи

Впрочем, и между такими далекими станциями существуют сейсмические корреляции. Низкочастотные колебания, например, хорошо распространяются по всей Земле, и чтобы избежать их влияния, авторы ограничились областью частот выше 0,05 Гц (то есть период колебаний меньше 20 секунд). Кроме того, известно, что сильные землетрясения ощущаются по всей планете, поэтому авторы не учитывали показания сейсмографов в течение суток после каждого землетрясения с магнитудой 8 и больше, а также в течение двух часов после землетрясений с магнитудой выше 6.

Авторы работы построили и просуммировали корреляционные функции для всех пар сейсмографов по данным за 2012 год, за исключением периодов «мертвого времени» после каждого крупного землетрясения. Полученный сейсмический спектр показан на рис. 3. Общий вывод таков: спектр вполне укладывается в модели сейсмического шума, и никакого заметного отклонения от чисто сейсмической активности не обнаружено. Это позволяет установить ограничения в этой области частот на интенсивность стохастических гравитационных волн, попадающих на Землю.

Сейсмический спектр, просуммированный по всем проанализированным парам станций за 2012 год

Рис. 3. Сейсмический спектр, просуммированный по всем проанализированным парам станций за 2012 год. Полученное распределение хорошо укладывается между двумя черными линиями, которые показывают границы области ожидаемого естественного сейсмического шума. Тот факт, что распределение не выходит за эти пределы, означает, что никаких посторонних эффектов, включая влияние гравитационных волн, не зарегистрировано. Изображение из обсуждаемой статьи

Это ограничение показано красной линией на рис. 4. Само по себе это число мало что говорит неспециалисту, однако две вещи тут явно бросаются в глаза. Если сравнивать полученный результат с такими же ограничениями в других областях частот, как сверхнизких, с периодом в часы и сутки, так и высоких, в сотни герц, то новое измерение проигрывает им несколько порядков. Но это и неудивительно: миллигерцовая область частот гравитационных волн всегда отличалась трудностью для изучения из-за плохо устранимого сейсмического фона. Более важно то, что в этом диапазоне новый метод привел к ограничению в миллиард раз лучше, чем предыдущий результат 2011 года, установленный на крутильной антенне TOBA. Оказалось, что вместо того, чтобы пытаться устранить сейсмический фон, можно наоборот — воспользоваться им, грамотно обработав данные всей доступной сети сейсмографов. Работа показывает, что такой подход дает огромное преимущество по сравнению с одной специализированной лабораторной установкой.

Экспериментально установленные ограничения сверху на спектральную плотность интенсивности стохастического гравитационно-волнового фона

Рис. 4. Экспериментально установленные ограничения сверху на спектральную плотность интенсивности стохастического гравитационно-волнового фона. В области низких частот наилучшее ограничение установил космический зонд Cassini, в области высоких частот — детектор гравитационных волн LIGO, а в миллигерцовой области новый результат оказался на 10 порядков лучше, чем ограничение, полученное на установке TOBA. Изображение из обсуждаемой статьи

В конце статьи авторы отмечают, что полученные ограничения можно улучшать и дальше. Этого можно добиться как еще более тщательным поиском подходящих пар сейсмографов и анализом данных за более длительный промежуток времени, так и радикальными методами. Например, можно установить современные сейсмометры на Луне — ведь там собственная сейсмоактивность намного ниже земной. Интересна также идея использовать Солнце (а конкретно — данные по гелиосейсмологии) для поиска эффектов стохастических гравитационных волн — правда, здесь область частот лежит в микрогерцовом диапазоне. Однако самыми перспективными, несомненно, являются проекты космических детекторов гравитационных волн, такие как европейская установка eLISA и японский проект DECIGO. Оценки показывают, что в миллигерцовой области можно будет улучшить нынешнее ограничение еще примерно на 20(!) порядков. Однако это дело достаточно отдаленного будущего.

Источник: M. Coughlin, J. Harms. Upper Limit on a Stochastic Background of Gravitational Waves from Seismic Measurements in the Range 0.05–1 Hz // Phys. Rev. Lett. 112, 101102 (2014).

См. также:
Сергей Попов. Призрачные волны Вселенной, «Вокруг света» №2, 2007.

Игорь Иванов


Комментарии (16)



Последние новости: АстрофизикаИгорь Иванов

22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
5.08
Двухфотонный пик исчез в новых данных коллайдера
27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
1.04
Обнаружены коллективные эффекты в поведении физиков-теоретиков
23.03
Загадочный двухфотонный пик проступает всё сильнее
29.02
Метрика Карла Шварцшильда: предыстория, история и часть постистории
11.02
Гравитационные волны — открыты!

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия