Зачем обсерватории под землёй для изучения гравитационных волн?

Зачем строить обсерватории под землёй для изучения гравитационных волн?

Средства наблюдения за космосом приобрели за время своей эволюции самые разные формы, размеры и воплощения – это и длинные трубы на заднем дворе у простого любителя астрономии, и большие сферы, и гигантские комплексы из десятков спутниковых тарелок. Однако до недавнего времени все они имели одно общее свойство – смотрели вверх. И это вроде бы совершенно очевидно. Телескопы по определению должны улавливать свет и излучение из космоса, а они именно там – над нами. Однако сегодня в двух разных точках мира ведётся строительство подземных телескопов для изучения гравитационных волн! На первый взгляд это может показаться каким-то безумием, но, поверьте, это совсем не так.

Гравитационные волны

У науки появился потенциал для революционного прорыва в методах познания Вселенной. Строящиеся комплексы будут искать совсем не свет. Они попытаются засечь и измерить гравитационные волны, представляющие собой, по сути, искажения пространственно-временного континуума, которые возникают в результате слияния черных дыр или столкновения нейтронных звезд. Проходя сквозь космос, эти волны растягивают и сжимают все на своем пути – в том числе звезды, планеты и каждого из нас. Замерив эти искажения количественно, учёные могут узнать много нового. Проблема в том, что эти сигналы очень слабы. Даже если у своего источника они обладают неимоверной силой, то к тому моменту, когда оказываются у Земли, вызывают колебания на расстояние, сравнимое с диаметром атомного ядра. Для изучения гравитационных волн нужно специальное оборудование. Сегодня существует два комплекса, выполняющих эту задачу – “LIGO” в США и “Virgo” в Италии. Они находятся на поверхности, но оказались чрезвычайно успешны и задали высокую планку для своих последователей.

LIGO и Virgo

Европейский детектор гравитационных волн VIRGЕ
Европейский детектор гравитационных волн VIRGO

“LIGO” – это два разнесённых на разные концы США идентичных комплекса – с четырёхкилометровыми тоннелями, расположенными под прямым углом друг к другу. “Virgo” имеет аналогичное устройство, но у неё только одна локация и не такие длинные “рукава” – они короче на километр. Обе лаборатории обнаруживают гравитационные волны методом лазерной интерферометрии. Как это следует из названия, здесь применяется интерференция. Система испускает лазерный луч, разделяющийся на два отдельных пучка. Один из них уходит прямо, а второй отклоняется на девяносто градусов. В конце своего пути оба луча отражаются от зеркал и возвращаются в центральную зону. Здесь они встречаются и “отменяют” друг друга. Однако если сквозь данную систему проходит гравитационная волна, отмены не происходит. Космическая гостья искривляет геометрию всего комплекса, из-за чего лазерные лучи достигают цели несинхронно. В этот момент детекторы фиксируют вспышку света. И её интерферограмма может показать астрономам, что произошло. К сожалению, эти инструменты настолько чувствительны, что улавливают много лишних “потрясений”. От проезжающих мимо грузовиков и пролетающих самолётов до мельчайших землетрясений.

KAGRA и телескоп Эйнштейна

Вот поэтому-то и нужны подземные исследовательские комплексы. Так как, в отличие от света, гравитационные волны свободно проходят сквозь всю планету. Это их свойство естественным образом наталкивает на идею уйти под землю, где посторонних вибраций несравненно меньше. В данный момент времени над реализацией этой задачи работают несколько стран. Один из проектов называется “KAGRA”. Этот комплекс строится японцами, и он представляет собой несколько улучшенные версии “LIGO” и “Virgo”. Он будет находиться на глубине двести метров, под горой. Окончание строительства намечено на конец 2019 года, и если объект сдадут вовремя, это будет первая подземная обсерватория для исследования гравитационных волн.

ЕС, тем временем, строит “Телескоп Эйнштейна”. По предварительному описанию это действительно нечто грандиозное. В настоящее время конкретная информация о том, где он будет находиться и когда будет сдан в эксплуатацию, не разглашена, однако некоторые технические детали уже известны. Телескоп будет использовать тот же метод лазерной интерферометрии, что и все ранее упомянутые установки. Глубина нахождения под землёй – не менее ста метров. Главным отличием будет гораздо большая длина “рукавов” – она составит около 10 километров. Это позволит комплексу быть более чувствительным к слабым сигналам.

телескоп Эйнштейна для изучения гравитационных волн
Представление автора – телескоп Эйнштейна. Автор: ASPERA

Основным же отличием будет наличие не двух, а трёх рукавов, расположенных в форме треугольника. Детекторов, соответственно, будет столько же. Такая конфигурация даст телескопу Эйнштейна несколько явных преимуществ. Одно из них в том, что дополнительный детектор добавит слой “избыточной” информации, который позволит гораздо легче отличать нужный сигнал от ложных срабатываний. Второе – это то, что три детектора позволяют видеть поляризацию гравитационных волн. Этот феномен, возникающий при искажении волнами пространства-времени, немного похож на то, что происходит со светом в солнечных очках.

Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что у гравитационных волн есть два потенциальных состояния поляризации. Однако другие гипотезы предсказывают, что их будет больше. Таким образом, этот телескоп может либо подтвердить идеи своего тёзки, либо направить ученых в другом, более новом направлении. Ну и, наконец, у этого комплекса есть ещё одно замечательное свойство – у всех трёх детекторов есть 2 дополнительных приёмника, предназначенных для обнаружения гравитационных волн на различных частотах. Эти колебания почему-то не принято отличать друг от друга, однако, как и их электромагнитные собратья, они фиксируются в значительном диапазоне частот, от чего во многом зависят их свойства. Так, например, по мнению некоторых учёных, сверхновые генерируют гравитационные волны гораздо более высокой частоты, чем слияния черных дыр. Поэтому в более широком диапазоне частот учёные смогут изучать большее количество космических явлений.

“LIGO”, “Virgo” и “KAGRA” могут обнаруживать гравитационные волны в диапазоне от 10 до 100000 герц. Телескоп Эйнштейна в дополнение к этим частотам сможет прощупывать спектр от 1 до 250 герц. И, возможно, именно это сделает его по-настоящему особенным – существует мнение, что именно в этом диапазоне скрывается столь важная для науки информация о рождении Вселенной. Согласно наиболее распространённым теориям, первое световое излучение в космосе появилось лишь спустя четыреста тысяч лет после Большого взрыва, и с помощью обычных средств наблюдения мы просто не в состоянии заглянуть за этот порог. Однако изучая гравитационные волны на низких частотах, можно увидеть сам момент зарождения Вселенной. Как понятно, это дало бы ответы на огромное количество вопросов о том мире, в котором мы живём. И открыло бы невиданные перспективы – такие, о которых мы пока не осмеливаемся даже мечтать.

Text.ru - 100.00%

Поделиться ссылкой:

А Вы смотрели:  Джотто - забытые герои прошлого
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector