Сейсмометрия установила новые ограничения на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной

Периодические деформации тела под действием гравитационной волны

Рис. 1. Периодические деформации тела под действием гравитационной волны. Обратите внимание, что картинка некорректно передает направление движения волны: волна, вызывающая такие деформации, должна распространяться не в плоскости рисунка, а перпендикулярно ей. Величина деформаций для наглядности усилена примерно на 20 порядков. Изображение с сайта gwoptics.org

Вселенную заполняет гравитационно-волновой шум — беспорядочное наложение гравитационных волн, излученных в самых разных процессах за всё время жизни Вселенной. Обычно эффект от гравитационных волн ищут на специальных сверхчувствительных приборах, детекторах гравитационных волн. Авторы нового исследования пошли иным путем — они использовали данные специально выбранных сейсмометров. Обработав показания за 2012 год, они установили новые ограничения сверху на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной в миллигерцовом диапазоне. В этой области частот полученные ограничения в миллиард раз превосходят то, что было известно до сих пор.

Гравитационные волны и их поиски

В современной физике гравитация описывается как результат искривления пространства-времени. Массивные тела создают искажения пространства вокруг себя, и эти искажения влияют на движение других тел. Но эти искажения могут также существовать и распространяться в пространстве и сами по себе, сколь угодно далеко от породившего их тела. Такие периодически колеблющиеся искривления пространства-времени называются гравитационными волнами, и их поиск является одной из заветных целей современной астрофизики.

С одной стороны, в существовании гравитационных волн сомневаться не приходится. Это неизбежное следствие общей теории относительности — современной теории гравитации, — которая уже очень хорошо подтверждена экспериментально. Более того, некоторые астрофизические наблюдения указывают на существование гравитационных волн. Самый яркий пример — это пульсар в тесной двойной системе, в которой пара нейтронных звезд вращается друг вокруг друга и одна из них видна на Земле по периодическим всплескам излучения. Из-за больших масс нейтронных звезд и их тесного расположения заметная часть энергии их движения тратится на излучение гравитационных волн. В результате две нейтронные звезды постепенно сближаются, их движение убыстряется, что должно быть заметно по уменьшающемуся периоду всплесков от пульсара. Этот эффект действительно был обнаружен на примере пульсара PSR1913+16, что принесло его первооткрывателям Нобелевскую премию по физике за 1993 год (см. подробности в статье: К. М. Уилл. Двойной пульсар, гравитационные волны и Нобелевская премия // УФН. 1994. Т. 164. С. 765–773).

С другой стороны, все свидетельства в пользу существования гравитационных волн остаются пока что косвенными — будь то изменение периода пульсара или влияние гравитационных волн на свойства реликтового излучения (ходят слухи, что как раз на днях ожидается объявление об этом открытии). Несмотря на полвека поисков, гравитационные волны до сих пор не были зарегистрированы напрямую, то есть по характерному механическому смещению сверхчувствительной аппаратуры. Проблема тут в том, что эти смещения исключительно малые. Чувствительности детекторов гравитационных волн пока что не хватает для надежной регистрации всплесков гравитационных волн, приходящих на Землю. Говоря точнее, современные детекторы уже смогли бы зарегистрировать такой всплеск от относительно близкого по космологическим масштабам события, но только ждать его придется довольно долго. Однако аппаратура постоянно совершенствуется, а область космоса, доступная «прощупыванию» гравитационно-волновыми детекторами, увеличивается, и сейчас ожидается, что до первого настоящего сообщения о «поимке» гравитационных волн остаются считанные годы.

В охоте за гравитационными волнами есть два существенно разных направления поисков. Во-первых, это попытки уловить одиночный всплеск волн, гравитационное эхо от какого-то сверхмощного единичного события (например, слияния двух нейтронных звезд или взрыва сверхновой), случившегося в не слишком далекой от нас галактике. Динамика таких событий более-менее предсказуема, поэтому примерно известен тот диапазон частот гравитационных волн, в которых стоит ждать первого успеха, — это десятки и сотни герц. На этот диапазон как раз и настроены основные детекторы гравитационных волн.

Во-вторых, существует стохастический гравитационно-волновой фон — беспорядочный шум из гравитационных волн разного происхождения, которые летают в пространстве, накладываются друг на друга и заполняют собой всю Вселенную. Он включает в себя волны, порожденные в самой ранней и очень горячей Вселенной, в которой происходили грандиозные катаклизмы, а также волны от одиночных взрывов или слияний массивных космических объектов, накопившиеся за всю историю Вселенной. Если провести акустическую аналогию, то одиночный всплеск волн — это короткий и громкий крик, который слышен тем тише, чем дальше мы от источника, а стохастический фон — это непрерывный шум, пусть не такой громкий, но зато равномерно заполняющий всё пространство. Частоты таких гравитационных волн могут лежать в широком диапазоне, и физики пытаются зарегистрировать этот фон всеми доступными им способами.

Земля как детектор гравитационных волн

Гравитационная волна — это искажение пространства, ощущаемое локально как дополнительное гравитационное воздействие. Это воздействие вызывает деформации тел, причем деформации очень характерного типа. Самый простой тип — это периодическое сжатие и растяжение тела в двух направлениях в противофазе (рис. 1). Эти два направления деформации перпендикулярны направлению движения волны; скажем, если волна пришла сверху, то тело под действием волны слегка сожмется и слегка растянется в двух горизонтальных направлениях, а через половину периода сжатие и растяжение поменяются местами.

Интенсивность гравитационной волны задает относительное искажение тела, поэтому чем больше само тело, тем больше будет и абсолютная величина деформации. Возникает естественное желание использовать для регистрации гравитационных волн максимально крупный объект, доступный нам для непосредственного измерения, — саму Землю. Деформацию Земли с высокой частотой измерить трудно, однако можно измерять локальные колебания земной поверхности, и в распоряжении ученых уже давно имеются приборы, регистрирующие такие колебания, — сейсмографы.

Сразу же становится понятно, что эта красивая идея наталкивается на такую же естественную трудность — сейсмическую активность. Земля постоянно дрожит, иногда сильнее, иногда слабее; эта дрожь вызвана внутренними процессами, а вовсе не прохождением гравитационных волн. В 70-х годах были сделаны первые попытки если не зарегистрировать гравитационные волны, то хотя бы получить ограничения сверху на их интенсивность (см. Т. Mast et al., 1972. Search for Seismic Signals from Gravitational Radiation of Pulsar CP1133), однако быстро стало ясно, что специализированные детекторы справляются с задачей лучше, что любой сейсмограф. Специализированный детектор максимально заэкранирован от сейсмичности и измеряет он собственную деформацию, в то время как сейсмографы регистрируют деформацию Земли, но не могут отличить гравитационную волну от естественной сейсмичности.

Подробности новой работы

Исследование, опубликованное на днях в журнале Physical Review Letters, возрождает эту старую идею. Авторы воспользовались тем фактом, что сейчас во всём мире есть широкая сеть сейсмических станций и что их данные находятся в открытом доступе. Это позволяет не ограничиваться показаниями какого-то одного конкретного сейсмографа, а искать корреляции между их показаниями — ведь гравитационная волна, воздействуя на всю Землю целиком, должна наводить сигнал во всех сейсмографах.

Конечно, и тут ни в коем случае нельзя забывать про естественный сейсмический шум. Скажем, сравнивать друг с другом близкие сейсмические станции бессмысленно: они одинаково реагируют на локальные мелкие землетрясения. Сравнивать два сейсмометра, находящиеся в произвольных местах Земли, тоже не слишком полезно, ведь они могут по-разному реагировать на прохождение гравитационных волн. Наиболее оптимальным является выбор пары сейсмографов, расположенных почти в диаметрально противоположных точках Земли, — их отклик на волну будет одинаков, а сейсмический шум максимально расцеплен друг от друга. При этом желательно выбрать такие пары, которые находятся в не слишком сейсмически активных зонах. В результате подробного исследования авторы работы выбрали 20 пар сейсмографов, которые удовлетворяют этим критериям (рис. 2).

Выбранные для данного исследования пары сейсмометров

Рис. 2. Выбранные для данного исследования пары сейсмометров, находящиеся в диаметрально противоположных областях земного шара. Изображение из обсуждаемой статьи

Впрочем, и между такими далекими станциями существуют сейсмические корреляции. Низкочастотные колебания, например, хорошо распространяются по всей Земле, и чтобы избежать их влияния, авторы ограничились областью частот выше 0,05 Гц (то есть период колебаний меньше 20 секунд). Кроме того, известно, что сильные землетрясения ощущаются по всей планете, поэтому авторы не учитывали показания сейсмографов в течение суток после каждого землетрясения с магнитудой 8 и больше, а также в течение двух часов после землетрясений с магнитудой выше 6.

Авторы работы построили и просуммировали корреляционные функции для всех пар сейсмографов по данным за 2012 год, за исключением периодов «мертвого времени» после каждого крупного землетрясения. Полученный сейсмический спектр показан на рис. 3. Общий вывод таков: спектр вполне укладывается в модели сейсмического шума, и никакого заметного отклонения от чисто сейсмической активности не обнаружено. Это позволяет установить ограничения в этой области частот на интенсивность стохастических гравитационных волн, попадающих на Землю.

Сейсмический спектр, просуммированный по всем проанализированным парам станций за 2012 год

Рис. 3. Сейсмический спектр, просуммированный по всем проанализированным парам станций за 2012 год. Полученное распределение хорошо укладывается между двумя черными линиями, которые показывают границы области ожидаемого естественного сейсмического шума. Тот факт, что распределение не выходит за эти пределы, означает, что никаких посторонних эффектов, включая влияние гравитационных волн, не зарегистрировано. Изображение из обсуждаемой статьи

Это ограничение показано красной линией на рис. 4. Само по себе это число мало что говорит неспециалисту, однако две вещи тут явно бросаются в глаза. Если сравнивать полученный результат с такими же ограничениями в других областях частот, как сверхнизких, с периодом в часы и сутки, так и высоких, в сотни герц, то новое измерение проигрывает им несколько порядков. Но это и неудивительно: миллигерцовая область частот гравитационных волн всегда отличалась трудностью для изучения из-за плохо устранимого сейсмического фона. Более важно то, что в этом диапазоне новый метод привел к ограничению в миллиард раз лучше, чем предыдущий результат 2011 года, установленный на крутильной антенне TOBA. Оказалось, что вместо того, чтобы пытаться устранить сейсмический фон, можно наоборот — воспользоваться им, грамотно обработав данные всей доступной сети сейсмографов. Работа показывает, что такой подход дает огромное преимущество по сравнению с одной специализированной лабораторной установкой.

Экспериментально установленные ограничения сверху на спектральную плотность интенсивности стохастического гравитационно-волнового фона

Рис. 4. Экспериментально установленные ограничения сверху на спектральную плотность интенсивности стохастического гравитационно-волнового фона. В области низких частот наилучшее ограничение установил космический зонд Cassini, в области высоких частот — детектор гравитационных волн LIGO, а в миллигерцовой области новый результат оказался на 10 порядков лучше, чем ограничение, полученное на установке TOBA. Изображение из обсуждаемой статьи

В конце статьи авторы отмечают, что полученные ограничения можно улучшать и дальше. Этого можно добиться как еще более тщательным поиском подходящих пар сейсмографов и анализом данных за более длительный промежуток времени, так и радикальными методами. Например, можно установить современные сейсмометры на Луне — ведь там собственная сейсмоактивность намного ниже земной. Интересна также идея использовать Солнце (а конкретно — данные по гелиосейсмологии) для поиска эффектов стохастических гравитационных волн — правда, здесь область частот лежит в микрогерцовом диапазоне. Однако самыми перспективными, несомненно, являются проекты космических детекторов гравитационных волн, такие как европейская установка eLISA и японский проект DECIGO. Оценки показывают, что в миллигерцовой области можно будет улучшить нынешнее ограничение еще примерно на 20(!) порядков. Однако это дело достаточно отдаленного будущего.

Источник: M. Coughlin, J. Harms. Upper Limit on a Stochastic Background of Gravitational Waves from Seismic Measurements in the Range 0.05–1 Hz // Phys. Rev. Lett. 112, 101102 (2014).

См. также:
Сергей Попов. Призрачные волны Вселенной, «Вокруг света» №2, 2007.

Игорь Иванов


16
Показать комментарии (16)
Свернуть комментарии (16)

  • Икарыч  | 18.03.2014 | 13:07 Ответить
    Как Cassini регистрировал гравитационные волны!?
    Ответить
    • Игорь Иванов > Икарыч | 19.03.2014 | 01:31 Ответить
      Видимо, по аккуратному измерению траектории и сравнению с расчетами.
      Ответить
  • dims  | 18.03.2014 | 13:28 Ответить
    Меня всё время беспокоит один (глупый) вопрос: учитывают ли создатели гравитационных детекторов, что гравитационная волна влияет не только на длину рабочего тела детектора, но и на процесс измерения этой длины?

    Например, в случае интерферометра LIGO, если гравитационная волна изменила длину плеча, то разве она одновременно не влияет на прохождение лазерного луча вдоль этого плеча? Откуда уверенность, что лазер покажет изменение расстояния так, словно расстояние просто изменилось, а свойства пространства между зеркалами -- нет?

    Я так думаю, что в случае интерферометров, это наверняка просчитано. Наверное, возможно посчитать распространение света через гравитационную волну и расчёты показывают, какие гравитационные волны будет видеть интерферометр.

    А вот в случаях с другими способами детектирования, такая уверенность возникает не всегда. Например, в случае с сейсмографами, всё выглядит так, будто гравитационная волна должна, по мнению авторов, наводить в земном шаре обычные механические колебания.

    Может быть, существует какой-либо принцип, который позволяет так рассуждать, по простецки?
    Ответить
  • PavelS  | 18.03.2014 | 14:04 Ответить
    Я так понимаю это что-то из серии "гравитационное реликтовое излучение"?
    Ответить
    • Игорь Иванов > PavelS | 19.03.2014 | 01:30 Ответить
      Не только, но и это тоже. Просто в ходе нормальной жизни Вселенной было уже огромное число одиночных энергетических событий с излучением грав. волн. А поскольку они практически не поглощаются, они так и продолжают летать во Вселенной, накладываюсь друг на друга.
      Ответить
  • Displacer  | 18.03.2014 | 20:39 Ответить
    http://ria.ru/science/20140317/999907084.html

    Судя по этому сообщению гравитационные волны таки зарегистрированы.
    Ответить
    • Игорь Иванов > Displacer | 19.03.2014 | 01:34 Ответить
      Это совершенно другая тема, по которой новость тоже будет. Заголовок и акцент новости неверный. Собственно, я поэтому и прошу не ссылаться на СМИ — вы этим вносите больше шума, чем полезной информации.
      Ответить
      • nemoW > Игорь Иванов | 22.03.2014 | 16:44 Ответить
        А чем вызвана задержка с публикованием новости про результаты с BICEP2? Это редакционная политика или вы хотите собрать в публикации комментарии научных сообществ?
        Ответить
  • bairon  | 19.03.2014 | 13:17 Ответить
    кто непонимает что такое реликтовое излучение - вкратце:
    http://www.youtube.com/watch?v=YWkanmxwMg8
    Ответить
    • Игорь Иванов > bairon | 20.03.2014 | 01:08 Ответить
      К чему тут эта ссылка?
      Ответить
  • int  | 19.03.2014 | 16:37 Ответить
    Интересно, при излучении гравитационных волн теряется ли масса, и что в будущем вся вселенная превратится в одну гравитацию.
    И влияют ли гравитационные волны друг на друга, а так же ослабевают ли они при прохождении через тело, и почему в отличие от света они могут вырваться из чёрной дыры. Его же они и удерживают, значит они должны иметь другую более глубокую природу чем обычное излучение.
    Ответить
    • Игорь Иванов > int | 20.03.2014 | 01:02 Ответить
      При излучении грав.волн теряется энергия, не вещество. В тех случаях, когда это приводит в конце концов к коллапсу в черную дыру (например, при слиянии двух нейтронных звезд), тогда можно сказать, что теряется вещество. Можете называть это «превратится в одну гравитацию», если хотите.

      Грав.волны накладываются друг на друга, но практически не влияют из-за слабости взаимодействия. Они также практически не ослабевают при прохождении через вещество — опять же, они оказывают слишком слабый эффект для этого. Поэтому все излученные грав.волны так и гуляют по всей вселенной.

      Грав. волны не вырываются из черной дыры, это стандартное недопонимание и перепутывание статической гравитации и грав. волн. Это расписано в многочисленных вопросах-ответах по физике, почитайте.
      Ответить
    • denis_73 > int | 20.03.2014 | 01:52 Ответить
      "Из-за больших масс нейтронных звезд и их тесного расположения заметная часть энергии их движения тратится на излучение гравитационных волн".
      Энергия тратится, значит и масса теряется по формуле E=m*c*c.
      В смысле общая масса двойной системы. В основном она теряется, как я понимаю, за счёт уменьшения кинетической энергии вращающихся объектов, расстояние между ними поэтому уменьшается и в конце концов они сливаются и за долю секунды тогда уже излучается больше половины массы системы (это относится к компактным объектам типа нейтронных звёзд или чёрных дыр). Система Солце - Юпитер излучает с мощностью примерно 5 кВт.

      Опять же, т. к. волны несут энергию, то они являются источником гравитации. Но, думаю, влияние очень маленькое, т. к. волны очень слабые.

      При прохождении через тело наверняка ослабевают, но тоже очень слабо. Если бы не ослабевали, то волны, наверно, невозможно было бы в принципе детектировать.

      Что касается чёрной дыры, то непонятно, что Вы имеете в виду? Если дыра ни с чем не взаимодействует, то откуда волны? Если имеется двойная система, например, из двух вращающихся дыр, то волны будут.
      Ответить
      • Игорь Иванов > denis_73 | 20.03.2014 | 02:11 Ответить
        > В основном она теряется, как я понимаю, за счёт уменьшения кинетической энергии вращающихся объектов

        Нет, кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная уменьшается вдвое сильнее, поэтому общий эффект уменьшение. Это известное свойство движения в поле 1/r^2. Из-за этого эффекта околоземные спутники при потере энергии из-за торможения об остаточную атмосферу _разгоняться_, и из-за этого же эффекта Солнце в ходе излучения энергии становится горячее (т.е. можно сказать, что у Солнца теплоемкость отрицательная).
        Ответить
  • Corriu  | 20.03.2014 | 07:43 Ответить
    Информация к размышлению: 1000 год: 29 марта сильное землетрясение на всем земном шаре.
    Ответить
  • FreshZone  | 24.03.2014 | 02:24 Ответить
    А если бы гравитационные волны были сильными, то какой бы они производили эффект? Какими способами их можно было бы детектировать?
    Ответить
Написать комментарий

Сюжет


Гравитационные волны

Гравитационные волны



Последние новости


Искусственный отбор рибозимов-полимераз на способность синтезировать работающий рибозим-лигазу
Эволюция рибозимов, размножаемых рибозимами: еще один шаг к воссозданию РНК-жизни в пробирке

Шмели — социальные насекомые
Шмели учатся друг у друга сложным навыкам

Самки комаров Aedes aegypti подвергаются преслед
Стерильные самцы комаров мешают самкам пить кровь

Диаграмма Герцшпрунга — Расселла для известных белых карликов, находящихся в пределах 250 парсек от Солнца
Кристаллизация ядра тормозит остывание белых карликов

Элементы

© 2005–2024 «Элементы»