Способ обнаружения и регистрации гравитационных волн (варианты) и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК G01V7/00 

Заявляемые технические решения относятся к области астрофизики и могут быть использованы для исследования гравитационных волн и их источников.

В начале XX века (1916 г.) Альберт Эйнштейн получил на основе уравнений общей теории относительности вывод, согласно которому должны существовать гравитационные волны. С тех пор ученые всего мира пытаются эти волны обнаружить.

Известен наиболее близкий к заявляемому способ обнаружения гравитационных волн (ГВ), основанный на том, что обнаруживают воздействие приходящей ГВ на оптические сигналы - лучи лазеров, заключающееся в нарушении взаимной компенсации этих лучей в момент прохождения через них ГВ.

Суть способа состоит в том, что в интерферометре, работающем на встречных лучах лазера, добиваются их полной компенсации и на фотоприемнике регистрируются только шумы. При прохождении ГВ изменяется ход времени (согласно общей теории относительности (ОТО)). Это приводит к нарушению взаимной компенсации встречных лучей лазера и на фотоприемнике появляется разностный сигнал как признак гравитационной волны. Измерения проводились на двух обсерваториях LIGO, разнесенных на 3000 км друг от друга.

По результатам измерений на этих обсерваториях, американцы были удостоены Нобелевской премии за способ обнаружения гравитационных волн,

Известно наиболее близкое к заявляемому устройство, с помощью которого был реализован известный способ. На фиг. 1 приведена схема устройства - прототипа, содержащего в качестве основного элемента каждой обсерватории - Г-образную систему, состоящую из двух четырехкилометровых труб с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона, содержащий дополнительные зеркала 1, 2 и 3, 4 из кварцевого стекла, образующие резонаторы Фабри-Пьеро, увеличивающие число проходов лучей до 280 раз, лазер 5, оптический фотоприемник 6 и светоделитель 7. Зеркала 1-4 оптически связаны с первым и вторым входами светоделителя 7, лазер 5 оптически связан с третьим входом светоделителя 7, а его выход оптически связан с входом фотодетектора 6.

Устройство работает следующим образом. Луч лазера 5 в светоделителе 7 разделяется по двум ортогональным направлениям на зеркала 1,2 и 3,4 соответственно. Расстояния между зеркалами подбираются такими, чтобы отраженные от них лучи были взаимно скомпенсированными на входе фотодетектора 6. При появлении гравитационной волны, возникшей в процессе слияния черных дыр 8, происходит изменение частоты лазерного луча, что приводит к нарушению взаимной компенсации лучей и на выходе фотодетектора 6 появляется разностный сигнал. Регистрируются только те сигналы, которые появлялись одновременно в этих обсерваториях (интерферометрах). Все остальные сигналы считались шумами. Появление этих сигналов является признаком прихода гравитационной волны. LIGO - обсерватория, на которой были реализованы способ и устройство, позволяющие обнаруживать гравитационные волны, излучаемые такими космическими событиями, как слияние черных дыр в миллиардах световых лет от Земли.

[Международный научно-технический журнал «Теория, практика, инновации» Сентябрь 2016. Физика УДК 52:53. Обнаружение гравитационных волн: история и современность. Шишкина А.Ф., Воронин Е.В.. Уфимский государственный авиационный технический университет E-mail: spnio@mail.ru].

Отметим следующие недостатки способа и устройства: в способе в основу положено использование воздействия на оптический сигнал крайне ничтожного уровня мощности гравитационных волн в районе Земли, случайный и кратковременный источник гравитационных волн, удаленный на миллиарды световых лет, направление на источник гравитационных волн определяется в виде широкоугольного сектора, а также чрезвычайную сложность и дороговизну использованной аппаратуры. Случайным и кратковременным является процесс слияния двух черных дыр (60 и 30 масс солнца соответственно) на расстоянии в миллиарды световых лет. И хотя при этом выделяется гравитационная энергия 10 ⁴⁵ джоулей, что эквивалентно массе солнца, до Земли доходит гравитационная волна с интенсивностью лишь 10^-20 джоуля.

Но источниками ГВ, по мнению ученых, являются и более слабые, но зато стационарные источники ГВ, такие как, например, парные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс.

Астроном Тод Стромайер из Летно-космического центра им. Годдарда космического агентства NASA представил доклад о двойной звезде RX -J0806.3+1527 (или сокращенно - J0806). Поведение этой пары звезд, которые относятся к классу белых карликов, явно указывает на то, что J0806 является одним из самых мощных источников гравитационных волн в нашей галактике Млечный Путь. Упомянутые звезды вращаются вокруг общего центра масс, причем расстояние между ними составляет всего лишь 80 тыс. км (это в пять раз меньше расстояния от Земли до Луны). Это самая маленькая орбита среди известных двойных звезд. Каждый из этих белых карликов по массе примерно вдвое легче Солнца (М_с=1,989×10³³ г), а по размерам они сходны с Землей. Скорость движения каждой звезды вокруг общего центра масс составляет более 1,5 млн км/час. Причем, наблюдения показали, что яркость двойной звезды J0806 в оптическом и рентгеновском диапазоне длин волн меняется с периодом 321,5 секунды. Скорее всего, это и есть период орбитального вращения звезд, входящих в двойную систему [Конференции Американского астрономического общества 01.06.2005 г.]. Правда, при таком периоде обращения и таком расстоянии между звездами орбитальная скорость должна быть равна 3,9×10 ⁴ км/час, а не 1,5 млн км/час.

Несмотря на то, что, по мнению ученых, эта пара звезд является самым мощным источником гравитационных волн, до сих пор они не были обнаружены аппаратурой обсерватории LIGO.

Таким образом, решаемой технической проблемой (техническим результатом) является обеспечение возможности обнаружения и регистрации гравитационных волн от стабильных, но маломощных источников таких волн, каковыми являются парные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс.

Поставленная проблема решается тем, что в способах обнаружения и регистрации гравитационных волн предлагается регистрировать гравитационное воздействие на оптические или радиочастотные сигналы, которое проявляется не на Земле, а в месте возникновения волн гравитации, при прохождении этих сигналов вблизи парных звезд. При этом воздействие (пространственно-временные искажения в процессе прохождения гравитационной волны) будут в миллиарды раз больше, чем это имеет место на Земле, и создадут глубокую фазовую или даже частотную модуляцию. В то же время возникшая фазовая или даже частотная модуляция оптического или радиочастотного сигнала сохранится на любом расстоянии от источника волн гравитации, независимо от изменения световой силы.

Поставленная проблема (технический результат) по первому варианту решается тем, что в способе обнаружения и регистрации гравитационных волн, основанном на регистрации воздействия гравитационной волны на оптические сигналы, согласно изобретению, регистрируют периодическое изменение частоты гравитационного смещения спектральной линии оптического или радиочастотного сигнала, возникающее в процессе прохождения этих сигналов в месте возникновения волн гравитации.

Поставленная проблема (технический результат) решается так же тем, что в способе обнаружения и регистрации гравитационных волн, согласно изобретению, регистрируют воздействие гравитационной волны, заключающееся в периодическом изменении частоты гравитационного смещения спектральной линии луча оптического сигнала, испускаемого парной звездой в направлении на фотоприемник ортогонально к фронту гравитационной волны.

Поставленная проблема (технический результат) по второму варианту решается тем, что в способе обнаружения и регистрации гравитационных волн, основанном на регистрации воздействия гравитационной волны на оптические сигналы, согласно изобретению, регистрируют периодическое изменение частоты гравитационного смещения спектральной линии луча оптического сигнала или радиочастотного сигнала, возникающее при воздействии гравитационной волны на проходящие через нее вблизи от места ее возникновения лучи оптического сигнала от сторонней звезды или радиочастотный сигнал, попадающих на вход телескопа или радиотелескопа в процессе изменения направления фронта лучей оптического сигнала или радиочастотного сигнала в зависимости от фазы гравитационной волны.

Поставленная проблема (технический результат) решается тем, что в устройство для осуществления обнаружения и регистрации гравитационных волн содержащее, оптический фотоприемник, согласно изобретению введены телескоп или радиотелескоп, оптический или радиочастотный смеситель, гетеродин в виде лазера или высокочастотного генератора, усилитель радиочастотный, частотомер и регистратор, первый вход оптического смесителя связан с оптическим фотоприемником, а его второй вход связан оптически или гальванически с гетеродином, выход оптического смесителя соединен с входом радиочастотного усилителя, выход усилителя соединен с входом частотомера, выход измерителя частоты соединен с входом регистратора.

Поставленная проблема (технический результат) решается так же тем, что в устройстве для осуществления способа обнаружения гравитационных волн, согласно изобретению, оптический смеситель совмещен с оптическим фотоприемником.

В первом варианте (рис. 2а) излучателем оптических сигналов (световых лучей) служит сама парная звезда. При этом световой луч перпендикулярен к фронту волны гравитации и он не изменяет направления распространения. Известно, что при поступательном движении звезд (расширение вселенной) возникает доплеровский сдвиг в спектре излучения таких звезд (так называемое красное смещение). Доплеровское смещение возникает при любом виде движения, в том числе и при вращательном движении звезд вокруг центра масс. Это приводит к модуляции красного смещения в виде появления дополнительных спектральных линий по обе стороны «красного смещения» и будет соответствовать дополнительному красному ω_дк доплеровскому смещению и дополнительному синему ω_дс доплеровскому смещению. Они дополнят красное смещение от поступательного движения звезд. Наличие гравитационной волны, синхронной с вращением звезд, но противофазной доплеровскому смещению ω_дк, ω_дс, также вызовет модуляцию частоты красного смещения. [Wikiznanie.ru. Замедление времени гравитационным полем]. В тот момент, когда модуляция гравитационной волной частоты смещения спектра будет максимальной, доплеровский сдвиг от движения по орбите в этот момент будет равен нулю.

Ниже приводятся формулы для расчета ω_дк, ω_дс, ω_г, g и t_n

ω_дк=ω_дс=ω_к×2ν/c, где ω_к - частота красного смещения от поступательного движения звезд и постоянной гравитации, ν - орбитальная скорость вращения, с - скорость света.

Выразить математически изменение времени в гравитационном поле достаточно просто по выводам Минковского [там же] и для этого служит гравитационное ускорение Галилея:

где G - гравитационная постоянная, М - масса астрономического объекта, r - расстояние между объектами от центра их гравитации.

Далее в метрике Минковского просто вводится расстояние от гравитационного центра и вычисляется коэффициент ускорения или замедления времени:

Где g - гравитационное ускорение (ускорение свободного падения) на расстоянии h от центра гравитации, с - скорость света,

g h - гравитационный потенциал, и, в конечном итоге, вычисляется время на определенном расстоянии от гравитационного центра:

t_n=t₀n, где t_n - время в точке гравитационного поля, t₀ - эталонное время, n - коэффициент времени в вычисляемой точке.

Оценим гравитационное ускорение g (его изменение) в процессе вращения звездной пары на расстоянии h (фиг. 3б)

После несложных преобразований получаем

Δg - это удвоенная амплитуда ускорения в гравитационной волне на расстоянии h. Как видно из формулы (1) на Земле, на расстоянии равном, допустим, одному

Поэтому гравитационные волны парных звезд на земле невозможно обнаружить.

Далее приведем пример расчета для звездной пары J0806.

Амплитуда гравитационной волны равна 0,5 Δg.

В гравитационной волне произойдет увеличение длины волны оптического сигнала на величину пропорциональное коэффициенту замедления n.

Следовательно, ω_г=ω_к(1-n)

Для звездной пары J0806 определим n на расстоянии h=2R=80 т. км

G=6,6×10^-11 м³/кг×сек², М=0,5 Мс=0,995×10³⁰ кг, с=3×10⁸ м/с

Амплитуда гравитационной волны равна 0,5 Δg=0,6×10³ м/с²

Частота зеленой части спектра оптического сигнала ω_к равняется 600 ТГц. Следовательно, частота гравитационного смещения в максимуме гравитационной волны составит 4,5 МГц. Это частота смещения, которая сохраняется в оптическом сигнале после его выхода из волны гравитации. Уровень гравитационной волны около Земли будет ничтожен, но полученное частотное смещение в спектральной линии сохранится и будет меняться в такт с колебаниями интенсивности гравитационного поля около звезд, так как оптический сигнал, вышедший из гравитационного поля, уже не изменяет своей частоты. Из оптического сигнала выбирается одна спектральная линия, например, зеленого цвета. Благодаря преобразованию в оптическом смесителе этой линии с когерентным лазерным лучом происходит выделение частоты ее смещения. Модуляция спектральной линии оптического сигнала гравитационной волной приводит к периодическому с периодом 321 с (для звезды - J0806) изменению частоты смещения, которое может быть обнаружено и является признаком наличия волны гравитации. Доплеровские частоты ω_дк=ω_дс=ω_к×5,48×10^-4 определяется орбитальной скоростью парных звезд. Они ортогональны к ω_г во времени, во много раз больше ее и легко могут быть отфильтрованы.

Во втором варианте (фиг. 2б, фиг. 3а) с волной гравитации взаимодействуют лучи оптического сигнала сторонней звезды, проходящие вблизи парной звезды и подвергающиеся воздействию волны гравитации. В этом случае, за счет искривления пространства-времени происходит периодическое, в такт с частотой гравитационной волны, изменение направления фронта оптического сигнала, а на фотоприемник попадают последовательно его разные лучи, имеющие свою окраску - гравитационное смещение, соответствующие фазе (уровню) гравитационной волны, при которой они попадают на фотоприемник. Благодаря воздействию волны гравитации, появляется периодическое с периодом 321 секунду (для парной звезды - J0806) изменение частотны гравитационного смещения от ω_{г мин} до ω_{г макс}, которое является признаком гравитационной волны.

В качестве примера, для этого случая (фиг. 3а) определим угол 13 изменения направления фронта луча оптического сигнала при пересечении им гравитационной волны

Δ=(1-n)×с=0,00000075 сек×3×10⁸ м/сек=225 м

Δ - запаздывание фронта луча оптического сигнала при максимуме гравитации

L=с×Т=3×10⁸ м/сек×321 сек=9,633×10¹⁰

L - длина гравитационной волны, Т- ее период

β=Δ/L=2,3×10^-9

На расстоянии в один световой год =9,463×10¹⁵ м луч просканирует Δ L=2,1×10⁷ м за 321 секунду. Если диаметр зеркала телескопа составляет 5 м, то время наблюдения одного из лучей оптического сигнала в этом случае составит 321×5/2,1×10⁷=76,4×10^-6 с или 76,4 мкс с интервалом 321 секунду. Каждый луч оптического сигнала, попадающий на телескоп в процессе изменения направления его фронта, зависящего от фазы (уровня интенсивности) проходящей гравитационной волны, имеет свою частоту гравитационного смещения, которая будет периодически изменяться, так как в процессе изменения направления фронта каждый попадающий по очереди на фотоприемник луч оптического сигнала будет получать гравитационное смещение частоты в соответствии с фазой (уровнем интенсивности) гравитационной волны.

Для зеленого цвета в спектре луча оптического сигнала ω_{г макс}=600 ТГц ×0,00000075=4,5×10⁶ Гц, а ω_{г мин}=0. Периодическое изменение этого частотного смещения может быть обнаружено и является признаком наличия гравитационной волны.

Достигаемый технический результат в предлагаемых способах состоит в возможности обнаружения гравитационных волн, возникающих не только при слиянии черных дыр (60 и 30 масс солнца), но и волн, возникающих при вращении парных звезд вокруг общего центра масс, при котором интенсивность гравитационной волны существенно меньше, чем при слиянии черных дыр, но зато она постоянна. Воздействие (пространственно-временные искажения в близи от источника гравитационной волны) на оптические сигналы в миллиарды раз больше, чем это имеет место на Земле и оно создает частотное смещение в спектре. В то же время возникшее частотное смещение в спектре оптического или радиочастотного сигнала сохранится на любом расстоянии от места возникновения, не зависимо от того, на сколько уменьшится его световая сила. Оптический или радиочастотный сигнал запомнит воздействие гравитационной волны и донесет его до Земли в неизменном виде.

Кроме того, преимущество заключается еще и в возможности более точного обнаружения направления на источника гравитационных волн, так как способ предполагает использование в составе прибора телескопа, позволяющего выбирать нужный объект наблюдения.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа.

На фиг. 2 приведена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 3а приведена схема изменения направления фронта оптического сигнала. На фиг. 3б приведена схема, поясняющая образование гравитационной волны.

Заявляемое устройство 9 (фиг. 2) для осуществления заявляемого способа обнаружения и регистрации гравитационной волны содержит телескоп 10, оптический или радиочастотный смеситель 11, гетеродин в виде лазера или высокочастотного генератора 12, усилитель 13, измеритель частоты 14 и регистратор 15, телескоп 10 оптически связан с внешним источником излучения, например, с парной (двойной) звездой 16 или сторонней звездой 17, выход телескопа 11 оптически связан с первым входом оптического смесителя 11, второй вход которого связан с выходом гетеродина 12, выполненного в виде лазерного или высокочастотного генератора, выход оптического смесителя 11 соединен с входом усилителя 13, выход которого соединен с измерителем частоты 14, выход измерителем частоты 14 соединен с входом регистратора 15.

Рассмотрим более подробно осуществимость способа и устройства (фиг. 2).

Во втором варианте (фиг. 2б) с волной гравитации взаимодействует луч оптического сигнала сторонней звезды, проходящий вблизи парной (двойной) звезды и подвергающийся воздействию волны гравитации. В этом случае, за счет искривления пространства-времени происходит периодическое, в такт с частотой гравитационной волны, изменение направления фронта оптического сигнала, а на телескоп 11 попадают последовательно его разные лучи, имеющие свою окраску - частоту гравитационного смещения, соответствующую фазе (уровню) гравитационной волны, при которой они попадают на телескоп. Аналогична картина прохождения оптического сигнала непосредственно от парной звезды (фиг. 2а). В обоих случаях благодаря воздействию волны гравитации, появляется периодическое с периодом 321 секунду (для парной звезды - J0806) изменение частоты гравитационного смещения в спектре оптического сигнала, которое является признаком гравитационной волны. Поэтому в обоих вариантах способа используют одно и то же устройство. Работает оно следующим образом: луч оптического сигнала попадает в телескоп 10, усиливается и поступает на вход оптического смесителя 11, где при смешении сигналов лазера 12 террагерцевой частоты и террагерцевой частоты луча оптического сигнала, например, его зеленой спектральной составляющей, выделяют разностный сигнал уже мегагерцевой частоты (возможно использование фотоумножителя и двухкратного преобразования для переноса сигнала в удобный для работы диапазон). Сигнал поступает на вход усилителя 13, а с его выхода поступает на вход измерителя частоты 14, с выхода которого сигнал поступает на вход регистратора 15. Этот сигнал служит признаком того, что парная звезда излучает гравитационную волну.

Таким образом, решается поставленная проблема и достигается технический результат.

Использование: для обнаружения и регистрации гравитационных волн. Сущность изобретения заключается в том, что выбирают с помощью телескопа направление на возможный источник гравитационных волн, регистрируют проявляющееся на Земле периодическое изменение частоты гравитационного смещения спектральной линии оптического или радиочастотного сигналов, которое является следствием прохождения этих сигналов через искривлённое под воздействием гравитационной волны пространство-время вблизи от её источника. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения и регистрации гравитационных волн от стабильных, но маломощных источников таких волн, каковыми являются парные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обнаружения и регистрации гравитационных волн, основанный на воздействии гравитационной волны на пространство-время, отличающийся тем, что выбирают с помощью телескопа направление на возможный источник гравитационных волн, регистрируют проявляющееся на Земле периодическое изменение частоты гравитационного смещения спектральной линии оптического или радиочастотного сигналов, которое является следствием прохождения этих сигналов через искривлённое под воздействием гравитационной волны пространство-время вблизи от её источника.

2. Способ обнаружения и регистрации гравитационных волн по п. 1, отличающийся тем, что регистрируют воздействие гравитационной волны на пространство-время, приводящее к периодическому изменению частоты гравитационного смещения спектральной линии оптического сигнала, испускаемого парной звездой в направлении на фотоприёмник ортогонально к фронту гравитационной волны.

3. Способ обнаружения и регистрации гравитационных волн, основанный на воздействии гравитационной волны на пространство-время, отличающийся тем, что выбирают с помощью телескопа направление на возможный источник гравитационных волн и стороннюю звезду, лучи которой (оптические сигналы) проходят вблизи от этого источника, регистрируют проявляющееся на Земле периодическое изменение частоты гравитационного смещения спектральной линии луча сторонней звезды или радиочастотного сигнала, которое является следствием прохождения этих лучей через искривлённое под воздействием гравитационной волны пространство-время вблизи от места её возникновения, попадающих на вход телескопа или радиотелескопа в процессе изменения направления фронта луча сторонней звезды или радиочастотного сигнала, зависящего от фазы гравитационной волны.

4. Устройство для осуществления обнаружения и регистрации гравитационных волн, содержащее оптический фотоприёмник, отличающееся тем, что введены телескоп или радиотелескоп, оптический или радиочастотный смеситель, гетеродин в виде лазера или высокочастотного генератора, усилитель радиочастотный, измеритель частоты и регистратор, вход фотоприёмника связан оптически с выходом телескопа, а его выход связан первым входом смесителя, второй вход смесителя оптически или гальванически связан с выходом гетеродина, выход смесителя соединён с входом радиочастотного усилителя, выход усилителя соединён с входом измерителя частоты, выход которого соединён с входом регистратора.

5. Устройство для осуществления обнаружения и регистрации гравитационных волн по п. 4, отличающееся тем, что оптический смеситель совмещён с фотоприёмником.