Детекторы гравитационных волн

[25]«Идея существования гравитационных волн восходит к работам Эйнштейна, точнее, к созданной им к 1916 году общей теории относительности (ОТО) - теории пространства и времени, объединившей эти два понятия. Общая теория относительности, по существу, - это теория гравитации, устанавливающая связь тяготения с геометрией пространства - времени. Геометрические свойства четырехмерного пространства-времени, как и обычного трехмерного пространства, целиком определяются находящейся в пространстве материей, которая создает гравитационное поле. Влияние гравитации на геометрию проявляется в том, что она искривляет пространство-время. Мы не можем представить себе это наглядно (как в случае двухмерного "пространства", скажем, листа бумаги, который легко представить себе и плоским и изогнутым), но можем описать математически.

Если в качестве источников гравитационных волн использовать космические объекты, у которых - колоссальные массы и огромные скорости вращения - обеспечены, так сказать, самой природой. Из них наиболее подходят двойные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс, и пульсары - вращающиеся нейтронные звезды. Энергия гравитационного излучения этих источников огромна. Но и здесь, к сожалению, нет оснований для слишком оптимистических надежд, ибо эти источники находятся на громадных расстояниях от Земли (десятки световых лет), и к нам приходит ничтожная часть их гравитационного излучения. Их можно получить только с помощью интерферометра.

В интерферометре складываются две световые волны, идущие по разным путям. Если эти волны когерентны (имеют неизменную разность фаз и длину волны), при их сложении образуется устойчивая картина в виде системы полос. Когда длина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаются на величину, пропорциональную этому изменению.

Проект ЛИГО ставит своей целью экспериментально изучить проблему нелинейной гравитации, черных дыр и гравитонов, выведя ее из сферы теоретических построений, и подтвердить, что пульсации кривизны пространства-времени - гравитационные волны - существуют. ЛИГО может позволить исследователям сделать заключение о величине спина (собственного момента количества движения) гравитона. По разнице во времени прибытия электромагнитных и гравитационно-волновых всплесков от одного удаленного события гравитационная обсерватория позволит определить, одинаковы ли скорости этих волн. Если они приходят одновременно, гравитон, как и предсказывает теория, имеет нулевую массу покоя.

Особенность проекта ЛИГО - возможность использования нескольких интерферометров и создания таких оптических схем, в которых одна и та же пробная масса служит общей для двух или нескольких интерферометров.

Сигналы от двойных или нейтронных звезд могут приходить в частотном диапазоне, простирающемся от очень низких частот до примерно 1 кГц. Созданная аппаратура может воспринимать частоты от 40 Гц до нескольких килогерц с максимумом чувствительности на частоте 100 Гц. Исследователи ожидают, что их уникальная установка, открывающая новое поколение гравитационных телескопов, позволит получить фундаментальные результаты, приближающие нас к разгадке многих тайн Вселенной»

Заключение

Основные сведения о каком-либо космическом теле могут быть получены двумя путями: экспериментальным и теоретическим. Последний подход не является полностью независимым, так как любая теоретическая модель опирается на экспериментальные факты, а вот для ее исследования используют более подробный математический аппарат. Экспериментальное изучение космических объектов и всего мирового пространства базируется также на двух основах: непосредственное исследование свойств объектов при помощи лабораторного оборудования и наблюдение объекта, то есть исследование его электромагнитного излучения.

Астрономы-теоретики используют широкий спектр инструментов, которые включают аналитические модели и численное моделирование. История теоретического открытия последних трех планет Солнечной системы, подтверждает значимость теоретического метода.

Изучение планет и малых тел Солнечной системы осуществляется с использованием космических аппаратов, направляемых к ним. Искусственный спутник Земли – это космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли, предназначенные для решения научных и прикладных задач. Аппаратура, устанавливаемая на борту ИСЗ, а также наблюдения ИСЗ с наземных станций позволяют проводить разнообразные геофизические, астрономические, геодезические и др. исследования. Орбитальная станция – это тяжёлый искусственный спутник, длительное время функционирующий на околоземной, окололунной или околопланетной орбитах.

Автоматическая межпланетная станция – это космический аппарат, совершающий полёт в межпланетное пространство в автоматическом режиме. Используется для изучения небесных тел и межпланетного пространства. На автоматической межпланетной станции устанавливается научная аппаратура, измеряющая параметры небесных тел, их физический и химический состав, магнитные и другие излучения. Планетоход – это автоматический самоходный аппарат с дистанционным управлением, передвигающийся по поверхности удалённой от Земли планеты. В настоящее время наиболее известно только два планетохода: луноход и марсоход. Луноход – транспортное устройство, предназначенное для передвижения по поверхности Луны и управляемое по радио с Земли. Научная измерительная аппаратура, установленная на луноходе, предназначена для изучения топографических и селеноморфологических особенностей местности, определения химического состава и физико-механических свойств грунта, исследования радиационной обстановки на Луне и т. п. Марсоход - планетоход, предназначенный для изучения Марса, как луноход — для изучения Луны. В настоящее время на Марсе два действующих марсохода: «Оппортьюнити» и «Кьюриосити».

Пока еще основной метод исследования объектов космического пространства – изучение их электромагнитного излучения. Это обусловлено тем, что контактное исследование неприменимо для раскаленных объектов (звезд). К тому же объекты, более удаленные от Земли, чем тела Солнечной системы, очевидно, останутся и в настоящем и в будущем недоступными для контактного исследования. Космическое электромагнитное излучение регистрируется в очень большом интервале частот: от 10⁷ Гц (λ = 30 м - длинноволновое радиоизлучение) до 10²⁷ Гц (λ = 3*10^-19 м = 3*10^-10 нм - сверхжесткое γ излучение). Полный анализ распределения мощности излучения по спектру несет чрезвычайно много информации о физических свойствах каждого космического тела. Зная расстояние, которое определяется из астрометрического или астрофизического анализа можно найти такие параметры объекта, как его температура, размеры, химический состав и, даже, не прибегая к построению моделей внутреннего строения, оценить возраст объекта, его прошлое и будущее. Приборы для собирания и исследования космического электромагнитного излучения называются телескопами. Каждый телескоп работает в своем волновом диапазоне. Классификация телескопов в зависимости от рабочей частоты совпадает с классификацией электромагнитных волн.

Основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения, является телескоп. Оптический телескоп применяют, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооруженному глазу. Существует два основных типа оптических телескопов: рефлектор и рефрактор. В настоящее время используются различные типы катадиоптрических (зеркально-линзовых) телескопов. Астрономические обсерватории, на которых используются крупные телескопы стараются разместить в районах с хорошим астроклиматом: большим количеством ясных дней и ночей, с высокой прозрачностью атмосферы. Оптический телескоп Хаббл использовался для проверка постоянной Хаббла, изучения и фотографирования удаленных космических тел, просмотра уголков вселенной.

Радиоастрономические наблюдения, в отличие от оптических, можно проводить и в облачную погоду, т.к. атмосферные условия слабо влияют на прохождение радиоволн. В тысячу раз более высокое разрешение структуры источников достигается методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Основная задача определение линейных угловых размеров космических тел, составление радио-карты вселенной, определение расстояния до источника и др.

Основная задача микроволнового телескопа Planck: измерение вариаций температуры реликтового микроволнового фона с чувствительностью и угловым разрешением, позволяющими по-новому увидеть нашу Вселенную в возрасте около 380 тыс. лет, изучение объектов с температурой, близкой к 0К. Картографирование холодных молекулярных облаков, содержащих угарный газ, практически для всех хорошо изученных регионов звездообразования. Открытые телескопом Planck огромные скопления (кластеры) галактик, удаленные от нас на миллиарды световых лет, являются самыми большими структурами Вселенной. Работа телескопа в микроволновом диапазоне дала возможность точнее оценить возраст нашего мира. Согласно новым данным, он составляет 13,82 млрд. лет.

Инфракрасные телескопы – это вид телескопов, которые применяются в астрономии для исследования теплового излучения космических объектов. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Основная задача: определение температуры тела, составление инфракрасной карты. Наиболее известная обсерватория: космический телескоп Spitzer.

Земная атмосфера хорошо пропускает излучения в оптическом (0,3—0,6 мкм), ближнем инфракрасном (0,6—2 мкм) и радио (1 мм — 30 м) диапазонах. Однако с уменьшением длины волны прозрачность атмосферы сильно снижается, вследствие чего наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах становятся возможными только из космоса.

В ультрафиолетовом диапазоне главным образом излучают молодые горячие звезды, интенсивно «сжигающие» в своих недрах водород и гелий, превращая их в более тяжелые элементы, которые после гибели этих звезд рассеиваются в пространстве и становятся исходным материалом для формирования планетоподобных тел. Также в ультрафиолете наиболее ярко проявляют себя звездные вспышки. Среди приоритетных задач, возложенных на телескоп GALEX его создателями, в первую очередь выделялось картографирование всего неба в среднем и дальнем ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Рентгеновские волны с точки зрения астрономов они представляют особый интерес, поскольку несут важную информацию о веществе, разогретом до сверхвысоких температур (порядка миллионов кельвинов), и процессах, ведущих к такому разогреву. Основная обсерватория: космический телескоп Chandra, основные задачи: исследование черных дыр в центрах галактик, активного звездообразования.

Гамма излучение может регистрироваться и на земле. Самое мощное излучение вспышек сверхновых звезд, являющимися источниками космических лучей. Или ядерных реакций в звездах. Основная задача: исследование гамма-фотонов, идущих от звезд и пульсаров.

На сегодняшний момент большинство наших знаний о Вселенной получено из наблюдений фотонов. Фотоны обильно вырабатываются, стабильны и электрически нейтральны, их просто обнаружить в широкой области энергий, а их спектры несут детальную информацию о химических и физических свойствах источников. Но горячие плотные области в ядрах звезд, ядра активных галактик и других энергетичных астрофизических источников для фотонов непрозрачны. Пока основная задача нейтринных телескопов: зафиксировать нейтрино, практическая проверка законов и теорий описывающих ядерные реакции в звездах. Основная задача гравитационных детекторов: проверка СТО, зафиксировать неискаженные гравитационные волны.

Список использованных источников:

1. http://www.astronet.ru/db/msg/1179584/introduction-2.html

2. http://modelya.jimdo.com/%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8/

3. http://astro-space.ru/solnechnaja_sistema/49-otkrytie-urana-neptuna-i-plutona-nevidimyx.html

4. http://stp.cosmos.ru/index.php?id=1105&tx_ttnews%5Btt_news%5D=225&cHash=b1cc3f4b0250654341b42db1dd8cfa02

5. http://www.sciential.ru/technology/avio/363.html

6. http://alcala.ru/bse/izbrannoe/slovar-I/I12036.shtml

7. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/116613/%D0%9E%D1%80%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F

8. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/23/%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F

9. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/98960/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9

10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/655/%D0%BB%D1%83%D0%BD%D0%BE%D1%85%D0%BE%D0%B4

11. http://hi-news.ru/science/marsoxod-opportyuniti-prodolzhaet-rabotat-spustya-12-let-na-marse.html

12. http://www.physbook.ru/index.php/SA_%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0

13. http://galspace.spb.ru/index62.html

14. http://space-earth.net/interesting/articles/62-optical-sistems

15. http://www.astronet.ru/db/msg/1188590/text#3

16. http://galspace.spb.ru/index62-7.html

17. http://galspace.spb.ru/index62-7two.htmlм

18. http://www.astrotime.ru/infra.html

19. http://galspace.spb.ru/index62-9.html

20. http://galspace.spb.ru/index62-10.html

21. http://www.astrotime.ru/gamma_telescope.html

22. http://galspace.spb.ru/index62-5.html

23. http://galspace.spb.ru/index62-6.html

24. http://galspace.spb.ru/index63-5two.html

25. http://www.nkj.ru/archive/articles/7118/

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: