Гравитационные измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Развитие представлений о гравитационном взаимодействии

1.1 Формирование идей относительности и представлений о Вселенной до Ньютона

1.2 Открытие закона гравитации Ньютоном

1.3 Движение планет

1.4 Эйнштейн. Общая теория относительности. Гравитационная линза

2. Практическое использование закона гравитации

2.1 Открытие Нептуна

2.2 Определение массы небесных тел

3. Приборы для измерения гравитации

3.1 Гравитационное излучение и гравитационные волны

3.2 Спутниковый метод изучения гравитационного поля Земли, карта гравитации Земли

3.2.1 Гравитационные аномалии

3.3 Лазерные детекторы, или интерферометры (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA)

3.4 Сферический детектор miniGRAIL

3.5 Резонансные детекторы, или гравитационные антенны (AURIGA, EXPLORER, NAUTILUS, ALLEGRO)

Заключение

Список используемой литературы



ВВЕДЕНИЕ

Нередко можно слышать, что современная теоретическая физика началась с ньютоновского закона тяготения. И это весьма справедливо, особенно в том, что касается целей и методов современной физики: описывать и объяснять различные сложные явления природы при помощи нескольких основных законов.

Гравитация - одна из основных сил природы. Она вызывает множество астрономических явлений - от океанских приливов до расширения Вселенной. Ньютон описал гравитацию при помощи простого закона обратной пропорциональности квадрату расстояния. Эйнштейн увидел в ней нечто более глубокое, связывающее ее с пространством-временем.

В течение столетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пытались поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и наконец, уже в самое последнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.

Интересно поразмыслить над тем, как выглядел бы мир, не будь гравитации! Если исчезнет гравитация Земли, то ничто уже не будет связывать Землю в единый сферический объект и удерживать нас на ее поверхности. В отсутствие гравитации Солнце не притягивало бы Землю, и вместо того, чтобы обращаться вокруг Солнца, она улетела бы по прямой. Без гравитации не смогут существовать ни Солнце, ни другие звезды, ни более крупные системы, такие, как галактики. Несмотря на эту важную роль, гравитация по-прежнему окутана тайной.

Когда та или иная отрасль науки, будучи, несомненно, актуальной, не имеет достаточно солидного опытного фундамента, то в ее развитии начинают проглядывать элементы формального теоретизирования. В некоторой степени не избежала этого и современная теория гравитации: стоит только указать на многочисленные варианты «единых теорий», из которых отнюдь не все выдержат проверку временем. Поэтому критический анализ различных теорий, связанных с тяготением, в настоящий момент особенно актуален.

Среди нерешенных проблем гравитации проблема гравитационных волн привлекает к себе наибольшее внимание физиков, теоретиков и экспериментаторов. Это объясняется тем, что она тесно связана с другими нерешенными проблемами науки о тяготении (проблемой энергии, проблемой построения квантовой гравидинамики и т. д.), и ее решение в теоретическом и экспериментальном планах стимулировало быт исследование многих других задач гравитации.

Проблема теоретического описания гравитационных волн, тесно связанная с задачами их экспериментального исследования, стала одной из наиболее актуальных и интересных проблем не только гравитации, но и современной физики вообще. Возникшая почти одновременно с созданием теории тяготения Эйнштейна (первый анализ этой проблемы был проведен самим Эйнштейном в 1916--1918гг.), она и в настоящее время не имеет еще вполне удовлетворительного решения. За последние полтора десятилетия (примерно с 1957 г.) интерес к ней существенно возрос благодаря разработке нового мощного математического аппарата -- классификации полей тяготения Петрова, давшей начало ряду новых подходов к решению проблемы в теоретическом плане.

С другой стороны, достигнутый в последние годы прогресс эксперимента, в частности опыты Вебера, открывает перспективы лабораторного детектирования гравитационных волн.



1. Развитие представлений о гравитационном взаимодействии

1.1 Формирование идей относительности и представлений о Вселенной до Ньютона

Иногда отцом физики называют Аристотеля (384--322 гг. до н. э.). Говоря современным языком, физика -- это наука об основных закономерностях («первичных причинах» по Аристотелю), принципах («первых началах») природы и ее «элементах». Метод познания Аристотеля сильно отличается от современного. Его книга «Физика» является, скорее, философским трактатом, чем руководством по естествознанию. Аристотель признавал объективное существование материи. Для того чтобы вещь стала реальностью, она должна получить форму. Форма обладает энергией -- она превращает возможность в действительность. Он также отрицал пустоту. В основе динамики и космологии Аристотеля лежит концепция действующих причин, поддерживающих всякое движение. Так, радиальные движения (Земля считалась центром Вселенной) трактовались как абсолютные. В результате таких движений изменялись состояния тел и их роль в мировой гармонии. В противоположность им относительные движения (круги вокруг центра мироздания -- Земли) согласно Аристотелю не меняли статической гармонии центра и сфер.

Представления Аристотеля о геоцентрической Вселенной резко отличались от первых идей гелиоцентрической системы мира Аристарха (IV -- III вв. до н. э.). В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью и, как известно, на некотором этапе развития науки превратилось в существенное препятствие для развития физики и астрономии. Однако нельзя впадать в противоположную крайность и отказываться от рациональных сторон учения Аристотеля. В 1543 г. вышла в свет книга Николая Коперника «О вращениях небесных сфер». Изложенное в ней новое учение о мироздании неизбежно подводило также к новым представлениям об относительности движения, к физическому релятивизму. Коперник писал:

«Так, при движении корабля в тихую погоду все находящееся вне его представляется мореплавателям движущимся, как бы отражая движение корабля, а сами наблюдатели, наоборот, считают себя в покое со всем с ними находящимся. Это же, без сомнения, может происходить и при движении Земли, так что мы думаем, будто вокруг нее вращается вся Вселенная».

Эти идеи Коперника затем были развиты Галилеем. Джордано Бруно (1548--1600) развивал учение Коперника с философских позиций. Он резко критиковал учение Аристотеля и Птолемея, фактически развивая при этом философию Демокрита и Эпикура. Он выступал против аристотелевской концепции конечности Вселенной, идеи о противоположности земного и небесного, против утверждения о наличии абсолютно неподвижного центра Вселенной. В учении об относительности движения и покоя Бруно солидаризуется с Николаем Кузанским, сочинения которого были известны Копернику.

В ходе борьбы за учение Коперника Галилео Галилей (1564--1642) выдвинул свой принцип относительности. В качестве доказательства он приводил наблюдения над движениями в закрытой каюте неподвижного и движущегося кораблей. Это описание наблюдений можно найти в его книге «Диалог о двух главнейших системах мира -- птолемеевой и коперниковой»: «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту или иную сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно...».

В этом высказывании содержится важнейший физический принцип -- принцип относительности Галилея. Никаким механическим опытом нельзя установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Всякие движения в обеих системах отсчета протекают совершенно одинаково. Альберт Эйнштейн неоднократно обращался к научному наследию Галилея. В частности, он обращал внимание на удивительное внутреннее сходство ролей Фарадея и Максвелла в одну эпоху и ролей Галилея и Ньютона в XVII в. Первый в каждой паре качественно выявлял закономерности, а второй их точно формулировал и применял количественно.

1.2 Открытие закона гравитации Ньютоном

Открытие закона всемирного тяготения стало возможным лишь в итоге развития цепочки идей. Существенный шаг в понимании тяготения был сделан в учении Коперника, согласно которому тяжесть существует не только на Земле, но и на других небесных телах. Далее необходимо было избавиться от заблуждения, будто скорость падения тел зависит от их массы.

Известно, что наблюдения Галилея за падением тел с Пизанской башни были начаты примерно в 1589 г. Важную роль сыграли работы Иоганна Кеплера. В 1596 г. вышла его первая научная работа «Космографическая тайна», в которой он начал поиск числовых закономерностей в характеристиках орбит планет Солнечной системы. В 1602 г. Кеплер пришел к открытию второго закона движения планет (площади, описываемые радиус-векторами Солнце--планета в равные промежутки времени, равны между собой). А в 1605 г. Кеплер открыл закон, названный впоследствии первым (Солнце находится в фокусе эллиптических орбит).

Ряд авторов утверждают, что Ньютон пришел к открытию закона всемирного тяготения

(1.2.1)

где F - сила гравитационного притяжения, Н;

G - гравитационная постоянная, мі/(кг сІ);

m₁ - масса первого тела, кг;

m₂ - масса второго тела, кг;

R - расстояние между телами, м.

В период от 1667 до 1670 г., но в течение значительного времени этот результат не публиковал. Независимо от Ньютона в это же время к открытию закона всемирного тяготения вплотную подошли Роберт Гук, Джованни Борелли и Христиан Гюйген. Известно, что в 1674 г. Гук опубликовал этюд о движении Земли, в котором качественно формулировались идеи закона тяготения, однако полагалось, что сила убывает обратно пропорционально первой степени расстояния. В 1680 г. Гук в письме Ньютону указал уже правильный закон -- убывание силы обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда Ньютон в 1686 г. представил в Королевское общество рукопись «Математических начал натуральной философии», где им впервые опубликован и закон всемирного тяготения, Гук потребовал признания своего приоритета. На это Ньютон заявил, что этот закон был ему известен уже 20 лет, сославшись при этом на свое письмо Гюйгенсу, переданное через секретаря Королевского общества.

С открытием закона всемирного тяготения более четко оформилось направление мысли о смысле массы. С одной стороны, массу можно определить, измеряя силу притяжения данного тела к некоторому эталонному. Полученная таким образом величина характеризует гравитационные свойства тела -- его способность притягиваться к другому телу, т. е. так называемая гравитационная (тяжелая) масса находится из закона всемирного тяготения. С другой стороны, массу тела можно определить из второго закона Ньютона, измеряя ускорение которое приобретает тело под действием заданной эталонной силы. Получаемая таким образом величина характеризует инертные свойства тела -- способность тела сохранять свою скорость. Эту величину называют инертной массой. Ньютон проводил опыты с маятниками, доказав, что период их колебаний не зависит от значения массы. На основании этих экспериментальных фактов Ньютон не ввел различий в понятиях масс во втором законе и в законе всемирного тяготения. Это равенство масс не следует ниоткуда, кроме опыта; более того, сам физический смысл этих понятий в корне различен: гравитационная масса, по существу, гравитационный заряд тела, а инертная масса -- мера «сопротивления» этого тела действию силы.

К закону обратной пропорциональности квадрату расстояния Ньютона привела потребность понять явление движения планет и спутников в Солнечной системе.

1.3 Движение планет

Многие явления в природе объясняются действием сил всемирного тяготения. Движение планет в Солнечной системе, искусственных спутников Земли, траектории полета баллистических ракет, движение тел вблизи поверхности Земли - все они находят объяснение на основе закона всемирного тяготения и законов динамики.

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести. Так принято называть силу притяжения тел к Земле вблизи ее поверхности. Если M - масса Земли, R_З - ее радиус, m - масса данного тела, то сила тяжести равна

(1.3.1)

где F - сила тяжести, Н;

G - гравитационная постоянная, мі/(кг сІ);

М - масса земли, кг;

m - масса данного тела, кг;

R_З - радиус Земли, м.



Сила тяжести направлена к центру Земли. В отсутствие других сил тело свободно падает на Землю с ускорением свободного падения. Среднее значение ускорения свободного падения для различных точек поверхности Земли равно 9,81 м/с². Зная ускорение свободного падения и радиус Земли (R_З = 6,38·10⁶ м), можно вычислить массу Земли М:

(1.3.2)

При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорение свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния r до центра Земли.

В условиях такой слабой гравитации оказались космонавты, высадившиеся на Луне. Человек в таких условиях может совершать гигантские прыжки. Например, если человек в земных условиях подпрыгивает на высоту 1 м, то на Луне он мог бы подпрыгнуть на высоту более 6 м.

1.4 Эйнштейн. Общая теория относительности. Гравитационная линза

Общую Теорию Относительности (ОТО) Эйнштейн опубликовал в 1916 году, над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему:

- ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);

- распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Эйнштейн исследовал другой случай отступления опыта от законов классической механики, а именно, поведение тел в сильных гравитационных полях. Выяснилось, что пространство искривляется, а время замедляется вблизи больших масс. При приближении к массивным телам сила тяжести растет немного быстрее, чем это предсказывается законом Ньютона; в частности, из общей теории относительности следует существование гравитационного радиуса, на котором сила тяжести обращается в бесконечность. Тела, размеры которых меньше их гравитационного радиуса, называются черными дырами. Полагают, что черные дыры являются финалом эволюции массивных объектов.Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

Правильность общей теории относительности уже подтверждена наблюдениями за орбитой Меркурия, испытывающей возмущения из-за близости к Солнцу, и обнаружением эффекта гравитационной линзы, т.е. искривления световых лучей вблизи массивных тел.

Рис. 1.4.1

Так как лучи света искривляются в поле Солнца, то, вероятно, массивные объекты можно использовать как линзы. Схема эксперимента приведена на рис. (1.4.1). Наблюдатель находится в точке O, в точке A находится источник света (например, галактика). Если в точке C находится массивный гравитационный объект (туманность, галактика или другое массивное тело), то из-за искривления хода луча, нам будет казаться, что наблюдаемый удаленный объект находится в точке B, то есть мы его как бы увеличиваем. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Он наблюдаем только в том случае, если масса гравитационной линзы порядка масс Солнца и больше.

Конечно, гравитационная линза своим поведением сильно отличается от оптической в силу того, что теория гравитации принципиально нелинейна. Если бы удаленный объект находился на линии наблюдатель - линза, то наблюдатель увидел бы кольцо (на рис. (1.4.1) справа выделено пунктиром) - кольцо Эйнштейна. Вероятность подобного совпадения мала (мы не имеем возможностей изменять какую либо из базовых точек), точечный источник будет виден как две дуги (на рис. (1.4.1) справа) внутри и снаружи относительно кольца Эйнштейна. Впервые подобный объект был обнаружен в 1979 году. Он выглядел как две туманности с абсолютно одинаковым спектром излучения. Сейчас ведется поиск подобных объектов. Серьезно изучается вопрос о наблюдении структуры галактик с помощью этого эффекта.

Три вида эффектов от гравитационных линз:

1) если в качестве линзы выступает галактическое скопление, то изображение разбивается на части дугообразной формы. В отличие от привычных линз "фокусное расстояние" гравитационных оказывается очень большим (рис. 1.4.2)

Рис. 1.4.2

2) если линза вытянутая, то изображение получается в виде "креста Эйнштейна". Когда источник, линза и наблюдатель находятся на одном луче зрения, изображения зависят от формы объекта, создающего гравитационную линзу (рис. 1.4.3).

Рис. 1.4.3

3) если линза сферическая, то наблюдаемое изображение имеет вид "кольца Эйнштейна", то есть светящегося кольца. Гравитационное поле, отклоняя лучи света, действует, подобно собирательной линзе (рис.1.4.4).

Рис.1.4.4



2. Практическое использование закона гравитации

2.1 Открытие Нептуна

Одним из ярких примеров триумфа закона всемирного тяготения является открытие планеты Нептун. В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл планету Уран. Была вычислена ее орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперед. Однако проверка этой таблицы, проведенная в 1840 г., показала, что данные ее расходятся с действительностью.

Ученые предположили, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца еще дальше, чем Уран. Зная отклонения от расчетной траектории (возмущения движения Урана), англичанин Адаме и француз Леверрье, пользуясь законом всемирного тяготения, вычислили положение этой планеты на небе. Адаме раньше закончил вычисления, но наблюдатели, которым он сообщил свои результаты, не торопились с проверкой. Тем временем Леверрье, закончив вычисления, указал немецкому астроному Галле место, где надо искать неизвестную планету. В первый же вечер, 28 сентября 1846 г., Галле, направив телескоп на указанное место, обнаружил новую планету. Ее назвали Нептуном.

Таким же образом 14 марта 1930 г. была открыта планета Плутон. Открытие Нептуна, сделанное, по выражению Энгельса, на "кончике пера", является убедительнейшим доказательством справедливости закона всемирного тяготения Ньютона.

При помощи закона всемирного тяготения можно вычислить массу планет и их спутников; объяснить такие явления, как приливы и отливы воды в океанах, и многое другое.

Силы всемирного тяготения - самые универсальные из всех сил природы. Они действуют между любыми телами, обладающими массой, а массу имеют все тела. Для сил тяготения не существует никаких преград. Они действуют сквозь любые тела.

2.2 Определение массы небесных тел

Закон всемирного тяготения Ньютона позволяет измерить одну из важнейших физических характеристик небесного тела -- его массу.

Массу небесного тела можно определить:

а) из измерений силы тяжести на поверхности данного тела (гравиметрический способ);

б) по третьему (уточненному) закону Кеплера;

в) из анализа наблюдаемых возмущений, производимых небесным телом в движениях других небесных тел.

Первый способ применим пока только к Земле, и заключается в следующем.

На основании закона тяготения ускорение силы тяжести на поверхности Земли легко находится из формулы (1.3.2).

Ускорение силы тяжести g (точнее, ускорение составляющей силы тяжести, обусловленной только силой притяжения), так же как и радиус Земли R ,определяется из непосредственных измерений на поверхности Земли. Постоянная тяготения G достаточно точно определена из опытов Кэвендиша и Йолли, хорошо известных в физике.

С принятыми в настоящее время значениями величин g, R и G по формуле (1.3.2) получается масса Земли. Зная массу Земли и ее объем, легко найти среднюю плотность Земли. Она равна 5,52 г/см³

Третий, уточненный закон Кеплера позволяет определить соотношение между массой Солнца и массой планеты, если у последней имеется хотя бы один спутник и известны его расстояние от планеты и период обращения вокруг нее.

Действительно, движение спутника вокруг планеты подчиняется тем же законам, что и движение планеты вокруг Солнца и, следовательно, третье уравнение Кеплера может быть записано в этом случае так:

(2.2.1)

где М - масса Солнца, кг;

т - масса планеты, кг;

m_c - масса спутника, кг;

Т - период обращения планеты вокруг Солнца, с;

t_c - период обращения спутника вокруг планеты, с;

a - расстояния планеты от Солнца, м;

а_с -- расстояния спутника от планеты, м;

Разделив числитель и знаменатель левой части дроби этого уравнения па т и решив его относительно масс, получим

)= (2.2.2)

Отношение для всех планет очень велико; отношение же наоборот, мало (кроме Земли и ее спутника Луны) и им можно пренебречь. Тогда в уравнении (2.2.2) останется только одно неизвестное отношение , которое легко из него определяется. Например, для Юпитера определенное таким способом обратное отношение равно 1 : 1050.

Так как масса Луны, единственного спутника Земли, сравнительно с земной массой достаточно большая, то отношением в уравнении (2.2.2) пренебрегать нельзя. Поэтому для сравнения массы Солнца с массой Земли необходимо предварительно определить массу Луны. Точное определение массы Луны является довольно трудной задачей, и решается она путем анализа тех возмущений в движении Земли, которые вызываются Луной.

Под влиянием лунного притяжения Земля должна описывать в течение месяца эллипс вокруг общего центра масс системы Земля -- Луна.

По точным определениям видимых положений Солнца в его долготе были обнаружены изменения с месячным периодом, называемые “лунным неравенством”. Наличие “лунного неравенства” в видимом движении Солнца указывает на то, что центр Земли действительно описывает небольшой эллипс в течение месяца вокруг общего центра масс “Земля -- Луна”, расположенного внутри Земли, на расстоянии 4650 км от центра Земли. Это позволило определить отношение массы Луны к массе Земли, которое оказалось равным . Положение центра масс системы “Земля -- Луна” было найдено также из наблюдений малой планеты Эрос в 1930--1931 гг. Эти наблюдения дали для отношения масс Луны и Земли величину . Наконец, по возмущениям в движениях искусственных спутников Земли отношение масс Луны и Земли получилось равным . Последнее значение наиболее точное, и в 1964 г. Международный астрономический союз принял его как окончательное в числе других астрономических постоянных. Это значение подтверждено в 1966 г. вычислением массы Луны по параметрам обращения ее искусственных спутников.

С известным отношением масс Луны и Земли из уравнения (2.26) получается, что масса Солнца M_? в 333 000 раз больше массы Земли, т.е.

Mз = 2 10³³ г.

Зная массу Солнца и отношение этой массы к массе любой другой планеты, имеющей спутника, легко определить массу этой планеты.

Массы планет, не имеющих спутников (Меркурий, Венера, Плутон), определяются из анализа тех возмущений, которые они производят в движении других планет или комет. Так, например, массы Венеры и Меркурия определены по, тем возмущениям, которые они вызывают в движении Земли, Марса, некоторых малых планет (астероидов) и кометы Энке - Баклунда, а также по возмущениям, производимым ими друг на друга.

земля планета вселенная гравитация



3. Приборы для измерения гравитации

3.1 Гравитационное излучение и гравитационные волны

В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) пространство «чувствует» присутствие массивных тел и искривляется в их окрестностях. Движение самих тел напоминает хождение по батуту: упругая поверхность прогибается сильнее всего в том месте, куда мы ставим ногу, когда же мы двигаемся дальше -- поверхность распрямляется. Быстрые перемещения массивных тел порождают волны пространства, которые, преодолев тысячи, миллионы, миллиарды световых лет, вызывают едва уловимые колебания предметов на Земле. Возьмем покоящееся массивное тело, быстро переместим на некоторое расстояние в сторону. Пока тело покоилось, все объекты во Вселенной ощущали направленную к нему силу притяжения. При сдвиге направления сил меняются, но другие тела «почувствуют» это не сразу: любое возмущение распространяется не быстрее света в вакууме. Чем дальше находятся эти тела, тем больше нужно времени. Вернем массивное тело в исходное положение -- вдогонку первому возмущению побежит второе, возвращающее все на свои места.

Получается, что далекие тела еще не почувствовали изменений, для близких все уже вернулось в первоначальное состояние, и только в узкой области поле тяготения отличается от исходного. Эта область представляет собой сферический слой, удаляющийся от нашего источника тяготения со скоростью света. Причем возмущения в этом слое -- свободные. Что бы мы ни делали с телом-источником, невозможно повлиять на ушедшее от него возмущение гравитационного поля. По сути, это и есть гравитационная волна.

Вселенная совершенно прозрачна для волн гравитации. Они могли бы стать идеальным средством ее исследования, поскольку совершенно не взаимодействуют с веществом по дороге. Но по этой же причине они практически неуловимы. И все же за 40 лет безрезультатной пока охоты ученые придумали методы, которые позволяют надеяться на успех в течение ближайшего десятилетия.

Для наблюдателя гравитационная волна представляет возмущение приливных сил. Проходя между двумя телами, она заставляет их еле уловимо сближаться и удаляться с определенной частотой. Соединим пружиной два грузика. Такая система имеет некоторую собственную частоту колебаний. Если она совпадет с частотой волны, возникнет резонанс, усиливающий колебания, и его, возможно, удастся зафиксировать. В реальных экспериментах используют не грузы на пружинке, а алюминиевые цилиндры длиной несколько метров и толщиной около метра, у которых имеется не одна, а целый спектр частот. В других детекторах устанавливаются массивные зеркала, расстояние между которыми измеряется лазером.

Рис. 3.1.1 - Джозеф Вебер налаживает один из первых детекторов гравитационных волн

Астрофизики предполагают, что именно излучение гравитационных волн, отбирая энергию, ограничивает скорость вращения массивного пульсара при поглощении вещества соседней звезды.

Основные свойства гравитационных волн:

1. В пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, однако не падают до нуля: единожды возникшая волна тяготения в определенном смысле обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.

Рис. 3.1.2 - Раскрутка. В системе двух звезд при поглощении (аккреции) вещества своего партнера пульсар увеличивает скорость вращения

2. Волны тяготения - поперечные. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область фронта гравитационной волны, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны).

3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей их материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются, и период их обращения вокруг общего центра масс уменьшается.

Рис. 3.1.3 - Асимметрия. При этом пульсар теряет симметрию, его форма перестает быть сферической - он приобретает квадрупольный момент

Рис. 3.1.4 - Излучение. Этого достаточно для излучения гравитационных волн, которые уносят часть энергии и тем самым «притормаживают» вращение пульсара

3.2 Спутниковый метод изучения гравитационного поля земли, карта гравитации Земли

На сегодняшний день составлена самая точная модель гравитационного поля Земли, которая поможет в изучении землетрясений, приливов и отливов, циркуляции океана и воздушных масс. Это стало возможным благодаря европейскому спутнику GOCE с уникальным дизайном, находящемуся на специальной орбите.

Рис. 3.2.1 - Спутник GOCE

По итогам двух лет работы на орбите спутника GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer -- «Исследователь гравитационного поля и установившихся океанских течений») Европейское космическое агентство выпустило самую полную в мире карту гравитации Земли. Собранных данных хватило, чтобы предоставить ученым доступ к самому точному на сегодня геоиду -- модели Земли, которая должна помочь разобраться в особенностях земного функционирования -- климата, океанских и воздушных течений, движений литосферных плит.

Геоид -- это поверхность идеального глобального океана в отсутствие приливов и течений. Его форма определяется только гравитацией.

Фрагмент новой карты (рис.3.2.2). Самая сильная гравитация -- в районах, окрашенных жёлтым цветом, самая слабая -- на синих участках. Форма геоида намеренно усиленна -- для большей наглядности различия высот умножены в 10 тысяч раз.

Знание точной формы геоида важно для геодезии -- от него измеряют высоты в мире (иллюстрация EPA, ESA/HPF/DLR).

Рис. 3.2.2 - Карта гравитационного поля Земли

Что ещё интереснее: GOCE видит отклонения в гравитации с высокой детализацией, что позволяет замечать тектонические разломы, вычислять распределение масс в толщах горных хребтов и наблюдать иные подобные, скрытые от глаз, особенности строения Земли. Расшифровывая информацию от GOCE, учёные могут замечать движения магмы в глубинах под вулканами или фиксировать особенности в движении и взаимодействии континентальных плит.

Спутник GOCE был запущен в марте 2009 года. На сегодняшний день он провел в рабочем режиме сбора данных более 12 месяцев.

GOCE уже стал исключительным явлением в космосе и в изучении жизни Земли. Его градиометр, состоящий из шести высокочувствительных акселерометров, изучающих гравитацию, -- уникален для земной орбиты.

На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10-⁴-10-¹ Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30-40 лет.

3.2.1 Гравитационные аномалии

Гравитационная аномалия - общий термин, который применяется в случаях, когда наблюдаются необычные показатели гравитационного поля или гравитационные характеристики объекта. Термин используется также в случаях, когда математическая модель гравитационной теории противоречит другой теории или физической природе гравитационного взаимодействия.

В применении к формам и гравитационным свойствам небесных тел, гравитационные аномалии обычно выражаются в виде изменения ускорения свободного падения в их окрестности, что может свидетельствовать о наличии полезных ископаемых с большим значением плотности или, наоборот, о наличии больших пустот в породах. В последнем случае иногда наблюдаются такие аномальные явления, как текущая "вверх" по наклонной плоскости вода или движущиеся "вверх" колёсные средства передвижения. К наземным проявлениям аномалий также относят отклонение линии отвеса от вертикального положения и изменение скорости хода маятниковых часов. В случаях, ассоциированных с залежами руды, часто наблюдаются также геомагнитные аномалии, которые связывают с различными явлениями в атмосфере Земли и в ионосфере.

В отличие от таких массивных небесных тел, как Земля, более легкие небесные тела обладают большими относительными значениями гравитационных аномалий, что не позволяет описывать их гравитационный потенциал гармоническими функциями. В случае Земли гравитационный потенциал поверхности, или геоид, описывается именно на основании математических теорий с использованием гармонических функций. Гравитационные аномалии Луны имеют собственное название -- масконы.

С началом эры космических полётов изучение геопотенциала Земли осуществляется в основном с помощью изучения изменения положения искусственных спутников Земли, которые оборудованы акселерометрами. Предполагается, что появление гравитационных аномалий можно также связать с возникновением опасности землетрясений и извержений вулканов.

В космологии необычные скопления массы вещества, которые проявляют себя в виде гравитационных линз и аномального распределения скоростей объектов в их окрестности. В таких случаях, как в случае «Великого аттрактора», наблюдаются оба эти явления. Также, обычно термин гравитационная аномалия используется в связи со скоплениями тёмного вещества или скрытой массы Вселенной.



Рис. 3.2.3 - Гравитационные аномалии земли (по данным NASA GRACE -- Gravity Recovery And Climate Change)

3.3 Лазерные детекторы, или интерферометры (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA)

Хотя гравитационные волны еще не зарегистрированы, наблюдения уже идут полным ходом. Основные надежды ученых «услышать Вселенную» возлагаются сейчас на лазерные детекторы, чей принцип действия основан на явлении интерференции. Полупрозрачное диагональное зеркало расщепляет лазерный луч на два: один, например, вдоль ожидаемого пути волны, другой -- в перпендикулярном направлении. Эти лучи проходят по длинным туннелям, сотни раз отражаясь от поставленных друг напротив друга зеркал, а затем вновь объединяются с помощью полупрозрачного зеркала. При сложении электромагнитные волны могут усилить, ослабить или даже полностью погасить друг друга в зависимости от разности фаз, а эта разность зависит от длины пути, пройденного каждым лучом. Под действием гравитационной волны сначала одно плечо нашего прибора станет чуть короче, а другое -- длиннее, потом ситуация поменяется на противоположную. Наблюдения за интерференцией лучей позволяют заметить сдвиги зеркал на ничтожные доли длины волны лазерного излучения. Обнаружение этих сдвигов и будет доказательством существования гравитационных волн. Чувствительность детектора увеличивается с ростом длины плеч и числа отражений. В отличие от резонансных детекторов у лазерных нет выделенной собственной частоты колебаний.

Если твердотельные детекторы в основном «слышат» колебания с частотой около 1 килогерца, то интерферометры могут регистрировать волны в широком диапазоне с частотами примерно от 10 Гц до 10 кГц.

Сегодня самая большая установка такого рода - американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory).

Рис. 3.3.1 - Американский комплекс LIGO

Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая - неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, - рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. - Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч - 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. На этой англо-германской установке отрабатываются новые инженерные решения для других проектов. Благодаря оригинальным идеям этот детектор при скромных размерах обладает высокой чувствительностью. 300-метровый японский прибор TAMA (самый маленький лазерный детектор) является прототипом будущего 3-километрового интерферометра.

Рис. 3.3.2 - Итальянский детектор гравитационных волн VIRGO с плечами длиной 3 км сооружался с 1996-го и введен в строй в 2003 году

В конструкцию итальянского детектора VIRGO с плечами длиной 3 километра заложены очень сложные инженерные решения, в первую очередь для изоляции прибора от сейсмического шума. Наладка установки затянулась, однако интересных научных данных можно ожидать в самое ближайшее время.

Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO.

3.4 Сферический детектор miniGRAIL

Надежды гравитационно-волновой астрономии не связаны исключительно с космосом. В Голландии строится сферический детектор miniGRAIL -- металлическая сфера, охлаждаемая до температуры в тысячные доли градуса Кельвина. Детектор MiniGRAIL изготовлен из меди с повышенным содержанием алюминия (6%), имеет диаметр 65 см и весит 1150 кг (резонансная частота - 2,9 кГц, диапазон рабочих частот - около 230 Гц). Когда гравитационные волны достигнут антенны, то они какую-то небольшую часть своей энергии передадут шару. Согласно расчетам, попадая на детектор, гравитационная волна с частотой приблизительно 3000 герц заставит шар вибрировать во всех возможных направлениях. Эти колебания очень малы, речь идет об одной биллионной биллионной части сантиметра (10^-20 м), что является серьезным вызовом для современных технологий. Чтобы воспрепятствовать ложным срабатываниям в максимально возможной степени, MiniGRAIL установили на двух антивибрационных опорах, а шар охлаждают до ультранизких температур. В настоящее время охлаждение уже достигло 4 кельвинов, что соответствует -269°С. Это эквивалентно естественным температурам, существующим в самых холодных уголках Вселенной. Такая же установка появится в Сан-Паулу (Бразилия). Если все пойдет хорошо, то будет построен большой GRAIL с 3-метровой медной сферой массой 110 тонн. Еще один крупный сферический детектор проектируется в Италии. На высоких частотах (2-3 кГц) такие детекторы могут превзойти по чувствительности самые совершенные лазерные установки LIGO-II и VIRGO.

Рис. 3.4.1 - Голландский сферический детектор гравитационных волн miniGRAIL



3.5 Резонансные детекторы, или гравитационные антенны (AURIGA, EXPLORER, NAUTILUS, ALLEGRO)

Этот тип детекторов гравитационных волн, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967, 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.

Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес - 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA - около 10-²⁰-10-²¹.

Рис. 3.5.1 - Сборка резонансного детектора AURIGA. Видны торцы трех медных защитных труб, окруженных емкостью для жидкого гелия



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Гравитационные сигналы из космоса, как было сказано выше, пока не зарегистрированы. Но это не значит, что наблюдения ведутся безрезультатно. Полученные данные позволяют установить верхние пределы на характеристики возможных источников гравитационных волн. Существующие детекторы уже вплотную подошли к интересной для астрофизиков области параметров. Даже без увеличения чувствительности, просто набирая данные на действующих установках, можно будет скоро получать важные ограничения на параметры пульсаров. А с вводом в строй LIGO-II, возможно, придет время и для прямой регистрации гравитационного излучения.

Каков же все-таки смысл в поиске гравитационных волн, для чего их можно «использовать»? Приведет ли их открытие к каким-то значимым социальным изменениям, к чему-то сравнимому с атомной энергией или полупроводниками, которые перевернули наш мир? Предсказывать технологии и приложения намного труднее, чем развитие фундаментального научного знания. Возьмем ту же квантовую механику -- какая от нее польза? Нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс как-то заметил в беседе с корреспондентом «Вокруг света», что «если бы кто-то спросил у Гейзенберга, какая польза от квантовой механики, я сомневаюсь, что он сказал бы вам о транзисторе или лазере. Но они появились. Очень трудно предсказать приложения фундаментальной физики».

И все-таки -- существуют ли гравитационные волны? Не гоняемся ли мы за фантазиями физиков? Прямых доказательств их существования, то есть экспериментальной регистрации, до сих пор нет. Если бы взрыв близкой сверхновой в 1987 году не пришелся на выходной, возможно, сегодня мы могли бы ответить на этот вопрос твердым «да». Но случилось иначе, и нам придется подождать.

Если в итоге гравитационные волны не обнаружат, это будет тяжелый удар для всей современной физики. Неверной окажется не только общепринятая на сегодня ОТО, не спасут и «альтернативные» теории тяготения. Они тоже предсказывают возникновение гравитационных волн при конечной скорости распространения гравитации.

Уверенность в их существовании подкрепляется очень весомыми косвенными аргументами. Например, более 30 лет непрерывных наблюдений двойного радиопульсара J1913+16 позволили проверить предсказания ОТО с точностью до 0,1%. Среди наблюдаемых эффектов есть и постоянное уменьшение орбиты системы в точном соответствии с тем, сколько энергии уносят излучаемые ею гравитационные волны. Мы уже видим, как гравитационные волны работают там, остается «поймать» их здесь.

Судя по темпам работ, ждать рождения гравитационно-волновой астрономии осталось не более десяти лет.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Книги

1. Нарликар, Дж. Гравитация без формул: Пер. с анг. С.И. Блинникова/ С предисловием И.Ю. Кобзарева. - М.: Мир, 1985. - 148 с.

2. Мизнер, Ч., Торн, К., Уилер, Дж. Гравитация, том 3: Пер. с анг. А.Г. Полнарева. - М.: Мир, 1977. - 512 с.

3. Владимиров Ю.С., Мицкевич Н.В., Хорски Я. Пространство, время, гравитация.-- М.: Наука, 1984. - 208 с.

4. Захаров В.Д., Гравитационные волны в теории тяготения Эйнштейна. - М.: Наука, 1972. - 200 с.

5. Мизнер, Ч., Торн, К., Уилер, Дж. Гравитация, том 2: Пер. с анг. А.А. Рузмайкина. - М.: Мир, 1977. - 527 с.

6. Под редакцией Цзю Х., Гоффмана В. Гравитация и относительность: Пер. с анг. Д.В. Белова, Н.В. Мацкевича. - М.: Мир, 1965. - 535 с.

Электронный ресурс

1. Вокруг света/ http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3003/

2. Газета.ru/ http://www.gazeta.ru/science/2011/04/04_a_3574017.shtml

3. Элементы большой науки/ http://elementy.ru/lib/

4. Грани.ru/ http://grani.ru/Society/Science/

5. http://crydee.sai.msu.ru/ak4/

Размещено на Allbest.ru