Сегодня - 15.12.2018

Ещё ближе к разгадке гравитационных волн

12 октября 2016

Группа исследователей из Московского государственного университета, Института ядерных исследований РАН и Института лазерной физики СО РАН работают над созданием оптико-акустического гравитационной антенны, которая будет регистрировать гравитационные волны от нейтронных звёзд.

 
 
В сентябре прошлого года произошло событие, которое физики и астрономы ждали пятьдесят лет (и в возможности которого многие сомневались) — человечеству впервые удалось «поймать» гравитационный сигнал. Он возник в результате слияния двойной чёрной дыры и был зарегистрирован интерферометрами LIGO — парой четырехкилометровых установок вблизи Сиэтла и Нового Орлеана (США). Таким образом, учёные получили первое прямое экспериментальное доказательство наличия гравитационного излучения и возможности его регистрации. Одновременно событие выступило подтверждением существования черных дыр как особой формы материи. 
 
Вероятно, с этим открытием стартует новая наука — гравитационно-волновая астрономия, которая объяснит феномены, запрятанные в самых удаленных и недоступных областях Вселенной, принимаемой как «конгломерат времени и пространства».  В частности, учёные получат возможность ответить на вопросы: является ли общая теория относительности адекватной теорией гравитации, как формируются массивные черные дыры в центрах галактик, что есть темная энергия, каковы начальные физические условия Большого взрыва? Однако для этого нужно ещё много чего сделать. 
 
В научных программах, реализующихся на больших гравитационно-волновых интерферометрах, можно выделить четыре основных направления: поиск гравитационно-волновых сигналов от сливающихся двойных релятивистских (сверхплотных) звезд, от вспышек сверхновых звезд с образованием сверхплотного остатка, регистрация непрерывного излучения от пульсаров — вращающихся нейтронных звезд — и стохастического гравитационно-волнового фона, отделившегося от первородной плазмы (праматерии Вселенной) в процессе Большого взрыва. Из всех четырех гарантированно существует только первый класс источников гравитационных волн. Именно такого типа сигнал и был зарегистрирован антеннами LIGO. Однако слияние чёрных дыр — весьма редкое событие. Чтобы гравитационно-волновая информация поступала регулярно, требуется увеличить чувствительность детекторов, причём, в разных направлениях.
 
Коллаборация российских исследователей, в которую входит Московский государственный университет, Институт ядерных исследований РАН и Институт лазерной физики СО РАН разрабатывает оптико-акустическую гравитационную антенну «ОГРАН», нацеленную на регистрацию гравитационных волн от такого источника, как нейтрино. 
 
«Наша система выступает альтернативой интерферометрам LIGO. Она функционирует в существенно другом диапазоне, и в этом смысле мы расширяем наши возможности видеть и слушать Вселенную», — говорит директор ИЛФ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Владимирович Тайченачев.
 
Валентин Руденко
 
«Астрофизически звёзды очень тяжёлые. Ждать от них высоких частот не приходится, чем более низкие частоты способен принимать интерферометр, тем лучше. Развитие детекторов LIGO движется в этом направлении. Тот диапазон, в котором зарегистрировали гравитационный сигнал — порядка 100 Герц. Детекторы же нашей коллаборации работают в диапазоне три килогерца. Они нацелены на более лёгкие звёзды, такие как нейтронные», — рассказывает профессор физического факультета МГУ, заведующий отделом гравитационных измерений Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга доктор физико-математических наук Валентин Николаевич Руденко.
 
На сегодняшний день разработка российских учёных находится на следующем этапе: детектор создан, установлен в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН  (Приэльбрусье, Кабардино-Балкария) глубоко под землёй  — на километр под поверхностью, что защищает его от космических лучей и понижает сейсмические и прочие возмущения. На проектном уровне система имеет чувствительность к гравитационным волнам, однако её надо запустить в режиме непрерывной службы, что требует дополнительного финансирования. К тому же необходимо увеличить чувствительность детектора, которая пока умеренная по сравнению с американскими системами.  
 
«Сейчас обсуждается вопрос, что к коллаборации примкнёт Международный университет природы, общества и человека «Дубна», — сообщает Валентин Руденко. — Пути увеличение чувствительности, по меньшей мере, на порядок или на полтора у нас есть, они известны, мы в этом направлении работаем, но это требует решения некоторых непростых задач».
 
ИЛФ СО РАН в этом проекте занимается созданием аппаратуры для оптической регистрации колебаний гравитационной антенны. Работы ведутся научно-исследовательской группой лазерной спектроскопии под руководством доктора физико-математических наук Михаила Николаевича Скворцова.
 
Михаил Скворцов
 
«Гравитации подвержено всё, это сама обобщающая сила взаимодействия и таинственное поле, которое отличается от всего и воздействует на всё: и на пробные тела, и на среды (упругие, акустические и так далее), — объясняет Валентин Руденко. — Поэтому в нашей системе помимо детектора, регистрирующего акустические волны, есть и соединённый с ним оптический резонатор. Он представляет собой два зеркала, между которыми бегает лучик и создаёт огромное число отражений. Оригинальность нашего метода в том, что гравитационная волна взаимодействует также и с этой оптической составляющей, то есть, непосредственно с заключенным там светом. Благодаря этому реакция на отклик становится более сложной, чем у антенны на свободных массах. В последней нельзя различить, сдвинулись пробные тела, между которыми бегает лучик, или же изменилась длина волны под воздействием гравитационного поля. А у нас это становится возможным».
 
К тому же такая антенна позволит получит информацию о том, с какого направления пришла волна. Но самое главное: оптические методы регистрации оказываются наиболее продвинутыми и многообещающими, из-за того что сам свет практически не возмущает предмет при больших интенсивностях, которые могут понадобиться.
 
«Использовать оптические методы непросто — когда  начинаешь это делать, оказывается, что есть много неучтённых посторонних  паразитных эффектов, дополнительных взаимодействий, которые мешают получить красивую чистую картину. Поэтому группа Михаила Николаевича Скворцова для нас в этом проекте незаменима», — говорит Валентин Руденко. 
 
Сейчас исследователи занимаются настройкой системы на работу при низких температурах. Проект носит название «Крио-ОГРАН». «Это очень нетривиальная задача. Оптический резонатор представляет собой зеркала, их  необходимо охладить до азотной, температуры. Но в это же время в них должен бить луч в один ватт (который будет нагревать систему). Как сохранить оба условия одновременно? Здесь встаёт вопрос к покрытию таких зеркал, к материалу подложки. То есть это нерешенная проблема, над которой мы работаем, но в ней же заключается и оригинальность системы», — говорит Валентин Руденко.
 
Диана Хомякова
 
Фото: из открытых источников (анонс, 1), автора
 
Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus