Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

* * *

На рис. 10.6 показана главная идея интерферометрического гравитационно-волнового детектора. К потолку на краях и в углу L– образного интерферометра подвешены на струнах три массы (рис 10.6а). Когда в лабораторию сверху или снизу приходит первый максимум гравитационной волны, его приливные волны должны раздвинуть массы в одном плече буквы «I» и одновременно сдвинуть их вдоль другого плеча. В результате этого длина первого плеча L₁, (т. е. расстояние между двумя его массами) увеличится, а длина второго плеча L₂ уменьшится. Следя за изменением разности L₁—L₂ можно искать гравитационные волны.

Слежение за величиной L₁—L₂ производится интерферометрическим образом (рис. 10.65 и Врезка 10.3). Лазерный луч светит на расщепитель пучка, который закреплен на угловой массе. Расщепитель половину луча отражает, а половину пропускает, расщепляя, таким образом, луч на два. Два луча направляются по двум плечам к крайним массам, отражаются от находящихся на них зеркал и затем возвращаются на расщепитель пучка. Делитель наполовину отражает и наполовину пропускает каждый из лучей, так что часть одного луча соединяется с частью другого луча и светит в сторону лазера, а другие части лучей, соединившись, падают на фотодетектор.

10.6. Лазерный интерферометрический гравитационно-волновой детектор. Этот инструмент очень похож на тот, который использовали Майкельсон и Морли в 1887 г. для поиска движения Земли относительно эфира (глава 1). Детальное описание см. в тексте

Если гравитационных волн нет, вклады двух плечей интерферируют таким образом (Врезка 10.3), что весь свет из интерферометра возвращается по направлению к лазеру, а на фотодетектор не попадает ничего. Если гравитационная волна изменит немного величину L₁—L₂, то два луча в двух плечах будут путешествовать на немного изменившиеся расстояния и будут интерферировать немного по-другому — крошечная часть их общего света теперь пойдет к фотодетектору. Следя за количеством света, приходящего на фотодетектор, можно следить за изменением разницы между L₁и L₂ и, таким образом, регистрировать гравитационные волны.

* * *

Интересно сравнить твердотельный детектор и интерферометр. Твердотельный детектор использует для слежения за приливными силами гравитационных волн колебания отдельного твердотельного цилиндра. Интерферометрический детектор использует для слежения за приливными силами относительные движения масс, подвешенных на струнах.

Врезка 10.3

Интерферометры и интерферометрия

Если в одной и той же области пространства распространяются две или больше волны, они «линейно» (Врезка 10.1) накладываются друг на друга, т. е. они попросту складываются. Например, следующие волны, показанные пунктирной и штриховой линиями, накладываются друг на друга, образуя волну, показанную сплошной линией.

Обратите внимание на места, подобные обозначенному буквой А, где провал одной (пунктирной) накладывается на гребень другой (штриховой) волны, по крайней мере частично, и образуют исчезающее малую суммарную волну (сплошная линия), а также на места, где, как в В, складываются два провала и волны усиливают друг друга. Говорят, что в первом случае имеет место деструктивная интерференция, а во втором — конструктивная. Такие наложения с интерференцией возможны для любых типов волн: морских, радио, световых, гравитационных, и такая интерференция играет ключевую роль в работе радиоинтерферометров (глава 9) и интерферометрических детекторов гравитационных волн.

В интерферометрическом детекторе на рис. 10.6б расщепитель луча накладывает половину луча из одного плеча на половину луча из другого плеча и направляет их к лазеру, а также складывает другие половины лучей и посылает их на фотодетектор. Если никакая гравитационная волна или другая сила не двигала массы и зеркала на них, то световые волны будут иметь вид, как на следующих рисунках, где штриховой линией показана волна из первого плеча, пунктирной — из другого, а сплошная линия изображает суммарную полную волну.

Направляемые к фотодетектору волны интерферируют деструктивно, поэтому полная суммарная волна исчезает, что означает, что детектор вообще не видит никакого света. Если гравитационная волна или какая-либо другая сила немного удлиняет одно плечо и укорачивает другое, то волны из одного плеча приходят на расщепитель луча с небольшой задержкой по отношению к волнам из другого плеча, и наложение имеет следующий вид:

Деструктивная интерференция в направлении фотодетектора теперь уже не идеальная, и фотодетектор получает немного света. Количество света, которое он получает, пропорционально разнице длин L₁—L₂ которая, в свою очередь, пропорциональна гравитационно-волновому сигналу.

Твердотельный детектор использует для слежения за колебаниями, вызванными волнами, электрический датчик (например, сжимаемый болванкой пьезокристалл). Интерферометрический детектор для слежения за вызванным волной движением своих масс использует интерференцию световых волн.

Болванка откликается в унисон только на гравитационные волны в узком частотном диапазоне, и поэтому для декодирования симфонии волн требуется ксилофон из многих болванок. Массы интерферометра болтаются свободно и откликаются на волны всех частот, больших чем примерно одно колебание в секунду [104] , и поэтому интерферометр имеет широкую полосу: чтобы расшифровать всю симфонию достаточно трехчетырех детекторов.

104

Отклику на частотах более низких, чем 1 колебание в секунду, мешают струны, на которых подвешены массы. Они не позволяют массам свободно двигаться в ответ на такие низкочастотные волны.

Сделав плечи интерферометров в тысячи раз длиннее, чем болванки (несколько километров вместо единиц метров), можно сделать приливные силы волн в тысячу раз большими, тем самым улучшив в тысячу раз чувствительность инструмента [105] . В отличие от этого длину болванки нельзя сильно увеличить. Болванка длиной в 1 километр будет иметь собственную частоту меньше, чем одно колебание в секунду, и поэтому не сможет работать на частотах, на которых находятся, как мы считаем, наиболее интересные источники. Более того, чтобы работать на таких низких частотах, для защиты твердотельной антенны от колебаний земной поверхности и флуктуаций гравитации земной атмосферы пришлось бы запустить такую болванку в космос, что было бы бессмысленно дорогим удовольствием.

105

На самом деле улучшение чувствительности происходит не таким прямым образом, и достичь такой предельной чувствительности гораздо сложнее, чем сказано, но все же приведенное описание в общих чертах верно.

Поскольку интерферометр в тысячу раз длиннее твердотельной антенны, он также в тысячу раз менее чувствителен к «пинку», производимому процессом измерения. Эта нечувствительность означает, что интерферометрам не нужно избегать с помощью сложных в конструировании квантово-неразрушающих датчиков [106] .

Если у интерферометров столько больших преимуществ перед твердотельными детекторами (гораздо большая полоса частот и гораздо лучшая чувствительность), почему же Брагинский, Вебер и другие не делали интерферометры? Когда я спросил об этом в середине 1970-х Брагинского, он ответил, что твердотельные детекторы просты, а интерферометры пугающе сложны. Маленькая сплоченная команда, такая как у него была в Москве, имела некоторый шанс сделать хорошо работающую твердотельную антенну и открыть гравитационные волны. Однако для разработки, отладки и успешной работы интерферометрического детектора требовалась гигантская команда и огромное количество денег. И даже при наличии такой гигантской команды и при таких огромных вложениях Брагинский сомневался в конечном успехе создания столь сложного детектора.

106

Прогресс в развитии интерференционных детекторов за истекшие 12 лет привел к тому, что и этот тысячекратный запас оказался исчерпанным, и в настоящее время активно разрабатываются схемы квантово-невозмущающих датчиков для следующего поколения гравитационно-волновых антенн. [Прим, ред.]

Десятью годами позже, когда накопилось достаточно свидетельств тому, что твердотельные детекторы не смогут достичь чувствительности 10^{– 21}, Брагинский посетил Калтех и был потрясен прогрессом, достигнутым с интерферометром командой Дривера. Он пришел к выводу, что, в конечном счете, с помощью интерферометров можно будет добиться успеха. Но огромная команда и большие денежные затраты были не для него, поэтому, вернувшись в Москву, он перенаправил большую часть работы своей команды на другие направления, далекие от детектирования гравитационных волн [107] . (В других лабораториях в мире твердотельные антенны продолжали строить, и это очень хорошо, поскольку они дешевы по сравнению с интерферометрами, пока еще более чувствительны [108] и в долговременной перспективе могут сыграть свою роль на более высоких частотах.)

107

Через некоторое время команда Брагинского снова вернулась в эту область, когда стало ясно, что даже гигантских усилий Калтеха и финансов Национального научного фонда США недостаточно для решения всех множащихся сложных проблем, встающих в процессе разработки и разворачивания полномасштабных гравитационных антенн. Была образована международная научная коллаборация LIGO (LIGO Scientific Collaboration) для координации усилий всех научных коллективов, работающих в этой области.

Московская группа под руководством член-корреспондента Российской академии наук В.Б. Брагинского внесла большой вклад в решение ряда важных задач в проекте (совершенствование подвеса пробных масс, исследование механических шумов, разработка новых методов квантово-неразрушающих измерений). Кроме того, это сотрудничество помогло научной группе выжить в трудные для отечественной науки годы. См. также примечание самого К.Торна далее. [Прим, ред.]

108

Сейчас, в 2005 г., после запуска двух 4-км антенн LIGO в США, 3-км антенны VIRGO в Италии, 600-метровой GEO в Германии и 300-метровой ТАМ А в Японии это уже не так, и сравнение получается явно не в пользу детекторов на болванках. [Прим, ред.]

* * *

В чем состоит сложность интерферометрических детекторов? Ведь основная идея, описанная на рис. 10.6, выглядит довольно просто.

На самом деле рис. 10.6 является чрезмерным упрощением, поскольку игнорирует огромное количество возникающих препятствий. Трюки, к которым приходится прибегать, для того чтобы их обойти, делают интерферометр чрезвычайно сложным инструментом. Например, лазерный луч должен быть нацелен точно в нужном направлении, иметь точно нужную форму и частоту, чтобы идеально согласовываться с интерферометром, а его мощность и частота не должны флуктуировать. После того как луч расщепляется на два, эти два луча должны бегать в плечах интерферометра не просто туда и обратно, как на рис. 10.6, а многократно, чтобы увеличить чувствительность к движениям масс, а после этих многократных отражений они должны точно встретиться опять на делителе. За каждой массой надо постоянно следить, чтобы ее зеркала были все время направлены в нужном направлении и не отклонялись из-за колебаний пола, и это нужно делать так, чтобы не замаскировать действие гравитационных волн. Чтобы достичь идеальной работы этих и многих-многих других составляющих, требуется постоянное одновременное слежение за многими разными частями интерферометра и его лазерными лучами и постоянное приложение сил обратной связи, поддерживающих идеальный режим.