Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Существуют разные возможности для формирования гравитационных волн в ранней Вселенной. Одна из них – это так называемое сверхадиабатическое усиление гравитационных волн. Этот механизм был предложен в 1974 году известным космологом Леонидом Грищуком (1941–2012). Он приводит к усилению реально существующих волн или даже рождению гравитонов (гипотетических квантовых частиц, соответствующих гравитационному полю) из вакуума. Идея состоит в параметрическом возбуждении колебаний гравитационного поля, связанного со специальным соотношением параметров расширяющейся Вселенной. В некотором смысле, можно сказать, что механизм работает, когда параметры Вселенной входят в «резонанс» с колебаниями поля. Значительный гравитационно-волновой фон мог сформироваться во время стадии инфляции. Безразмерная амплитуда каждой волны в момент равенства длины волны размерам горизонта приблизительно равна 10–5. Со временем эти волны могут усиливаться на других этапах эволюции Вселенной. В теории существуют различные сценарии развития этого фона. В современную эпоху он должен иметь широкий спектр: от 1 ГГц до 10–17 Гц. В оптимистическом варианте среднее значение метрических вариаций в диапазоне приема гравитационных антенн (100–1000 Гц) ожидается на уровне h ~ 10–24 при очень узкой полосе приема ∆f = 3 · 10–8 Гц.
Гравитационно-волновой фон ранней Вселенной мог бы также сформироваться во время, так называемой, нестационарной доменной стадии. Предполагается, что в эту эпоху Вселенная представляет собой некие «соты», то есть состоит из отдельных областей, каждая из которых описывается разными значениями одного и того же параметра – направления анизотропного натяжения. Этот параметр связан с одним из фундаментальных свойств Вселенной – барионной асимметрией, то есть чрезвычайным преобладанием вещества над антивеществом.
Одно из свойств доменной модели состоит в том, что давление в доменах разное и разнонаправленное. Неопределенность направления анизотропного давления, нестабильность и, наконец, распад доменной стадии приводят к образованию стохастического (случайного) гравитационно-волнового фона. По разным оценкам характеристики этого излучения на настоящий момент могут быть следующими: усредненная частота – примерно 10–4 Гц, а усредненная безразмерная амплитуда – примерно 10–20.
Возможности детектирования гравитационных волн, в том числе и реликтового гравитационного фона, обсуждаются далее.
Детектирование гравитационных волн
Я сразу узнаю удачу, едва она появится…
Жюльетта Бенцони «Марианна в огненном венке»Из сказанного выше об астрофизических источниках можно сделать вывод, что безразмерные амплитуды гравитационных волн, которые мы имеем шанс зарегистрировать на Земле (или в окрестности Земли), h ~ 10–21. Может быть «случайно» амплитуда окажется и больше, но ориентироваться нужно, скорее, на еще меньшую. Напомним, что h – это та характеристика, которая определяет изменение в измерении физической (реальной) длины: ∆l/l ≈ h/2. Так вот, если такая гравитационная волна пройдет, то метровый стержень изменит свою длину всего на ∆l ≈ 10–19 см. Для сравнения – порядок размера атомов 10–8 см.
Принцип обнаружения гравитационных волн основан на физическом воздействии на пробные тела. Есть два вида детекторов: твердотельные антенны и лазерные интерферометры. При прохождении гравитационной волны рабочий элемент детекторов первого типа должен деформироваться, а в детекторах второго типа должно изменяться взаимное положения свободных масс (зеркал).
Твердотельные детекторы стали создаваться с середины 1960-х годов. Пионером этих разработок по праву можно считать американского физика Джозефа Вебера (1919–2000). Вебер прожил яркую неординарную жизнь. В 1940 году закончил Военно-морскую академию США, активно участвовал во второй мировой войне на различных кораблях. На службе изучал радиоэлектронику, в 1948 году ушел в отставку и стал профессором по инженерии в Мэрилендском университете в Колледж-Парке. Но приняли его на условии, что он быстро защитит диссертацию. Так и случилось, в 1951 году Вебер защитил диссертацию «Микроволновые методы в химической кинетике». Во время этой работы была выдвинута идея о возможности получения когерентного стимулированного микроволнового излучения (мазера). Позднее эти идеи разрабатывались Николаем Басовым (1922–2001) и Александром Прохоровым (1916–2002) и американским физиком Чарльзом Таунсом. Они построили первые действующие модели мазеров и лазеров и получили Нобелевскую премию по физике 1964 года.
В 1950-х Вебер заинтересовался ОТО. В то время под сомнением было само существование гравитационных волн, которое, в основном, развеялось к 1960-м годам. Вебер построил первый тип гравитационных детекторов – резонансные антенны. Это аллюминиевые цилиндры массой около тонны; они могут колебаться, в основном, в продольном направлении, при этом деформации максимальны на торцах. Уже с конца 1960-х годов Вебер начал публиковать статьи, в которых утверждал, что обнаружил гравитационные волны. Это вызвало сенсацию, научные группы по всему миру начали строить аналогичные детекторы. Но никто не смог подтвердить эти результаты.
Наконец, утверждения Вебера были опровергнуты практически всеми другими исследователями. Вебер, однако, продолжал настаивать. Противостояние завершилось серией писем, которыми стороны обменялись в конце 1970-х. Оппонентами утверждалось, что сообщения Вебера выглядят «безумными, потому что вся энергия Вселенной должна была бы полностью перейти в гравитационное излучение примерно за 50 миллионов лет, если бы действительно детектировалось то, что детектирует Джо Вебер». Хотя утверждения Вебера о детектировании гравитационных волн не соответствовали действительности, он признается отцом направления гравитационно-волновой астрономии. В его честь названа премия в области астрономического инструментария.
Несмотря на отсутствие результата, построение и конструирование резонансных детекторов продолжается усилиями ведущих научных школ. В России их разработкой занимается группа под руководством профессора МГУ Владимира Брагинского. Его устройства также представляют собой цилиндры.
Обсудим развитие программы твердотельных антенн. Их главной особенностью является наличие резонансной частоты. Если в спектре гравитационной волны есть частоты, близкие к резонансной частоте антенны, то возбуждаемые в цилиндре акустические колебания усиливаются на этих частотах. Наиболее подходящими для изготовления цилиндров оказываются твердые материалы: алюминий, сапфир, ниобий. Цилиндры из этих материалов обладают наибольшей добротностью или «временем звона». Чем больше время затухания колебаний, тем выше чувствительность антенны, так как резонансное детектирование дает возможность накапливать сигнал.
Современные цилиндрические антенны имеют массу до нескольких тонн. Они хорошо изолированы от внешних воздействий и охлаждены до очень низких температур – около 10 мК. Понижение температуры не только снижает шумы, но и увеличивает добротность. Резонансное детектирование охватывает узкую полосу частот – от 100 Гц до 1 кГц. Полоса каждого детектора до недавнего времени была меньше 1 Гц, сейчас ее удается расширить до 10–20 Гц. Чувствительность у современных твердотельных антенн такова, что она дает возможность регистрировать сигнал с амплитудой 10–22 за время 1 с, или с амплитудой 19–23 за 100 с.
В настоящее время в Европе ведутся теоретические разработки новых моделей твердотельных детекторов. Предполагается, что рабочее тело будет представлять собой шар массой до 30 т, охлажденный до температур единиц мК. У такой антенны чувствительность возрастает на порядок по сравнению с действующими. Большим преимуществом является «всенаправленность» (чего нет у цилиндров).
Но пока гравитационных волн резонансными антеннами не зафиксировано. Несмотря на это, они уже давно приносят ощутимую пользу: с высокой точностью фиксируют сейсмический шум, что очень важно для геофизиков.
Интерферометры представляют собой двухплечевые интерферометры Майкельсона. Их мы уже обсуждали, когда говорили об опытах по обнаружению эфира, рис. 4.4. Можно сказать, что они возродились для решения другой задачи и на более совершенном техническом уровне. Зеркала, отражающие свет, теперь играют и роль свободных масс. Напротив каждого зеркала устанавливается еще по зеркалу, чтобы получить многократное отражение и тем самым увеличить эффективную длину плеч интерферометра. Все зеркала подвешиваются на кварцевых нитях, чтобы демпфировать возможные внешние шумы земного и техногенного происхождения. Источником излучения является мощный лазер непрерывного действия. Гравитационная волна с частотой большей, чем маятниковая частота подвешенных зеркал – это около 1 Гц – должна смещать зеркала относительно друг друга. Это приведет к изменению в разнице длин плеч интерферометра ∆l. Измеряемый на фотодетекторе выходной сигнал (если он есть) прямо пропорционален ∆l. Из уже неоднократно упомянутой формулы ∆l/l ≈ h/2 ясно, что чем больше плечи, тем более слабый сигнал можно зарегистрировать. Но удлинять бесконечно плечи интерферометра нельзя из-за того, что это трубы с высоким уровнем вакуума. В современных интерферометрах они уже имеют длину несколько километров. Вспомним также, что гравитационная волна – это поперечная тензорная волна, и она действует на пробные частицы как на рис. 10.2. Тогда ясно, почему у интерферометра два плеча, а не одно. Действительно, в случае одного плеча, если волна распространяется вдоль него, то эффекта просто не будет. В случае двух ортогональных плеч эффект будет всегда, а если волна ортогональна им обоим, то эффект удваивается. Наконец, скажем, что принцип использования пары свободных масс – зеркал и лазерного интерферометра – был предложен Владиславом Пустовойтом и Михаилом Герценштейном в 1962 году.
