13.6. Современное состояние работ по детектированию гравитационного излучения

Вскоре после опубликования первых работ Вебера в ряде лабораторий были созданы свои антенны гравитационных волн. Некоторые были похожи, но не являлись точной копией веберовской болванки (например, [4, 14, 21], другие представляли собой болванки разрезного типа [1, 2, 9]). В некоторых экспериментах была достигнута более высокая чувствительность, чем на веберовских болванках, некоторые содержали один детектор, другие — два и более детекторов, работающих по схеме совпадений. (Одного детектора вполне достаточно, чтобы доказать отсутствие гравитационных импульсов с уровнем, превышающим некоторый определенный порог. Чтобы доказать наличие таких импульсов, необходимы два детектора и схема совпадений для исключения ложной тревоги из-за случайных локальных помех.) Были получены отрицательные результаты, или, в лучшем случае, ограничения на верхний предел. Обзор этих экспериментальных исследований был сделан Древером [8].

К 1975 г. интенсивные усилия, предпринятые для обнаружения гравитационных импульсов с помощью детекторов первого поколения, т. е. алюминиевых болванок, работающих при комнатной температуре, были в основном завершены. Стало ясно, что для обнаружения гравитационного излучения необходимо создать второе поколение детекторов с более высокой чувствительностью. С точки зрения проведенного выше анализа, показавшего преимущества разрезной болванки перед веберовской болванкой, можно заключить, что основой для дальнейшего совершенствования должна быть разрезная болванка. Оказывается, что это не так. Главная причина состоит в возникновении почти непреодолимых проблем, связанных с сопряжением

преобразователей и болванки при их охлаждении до низких температ тур.

Детекторы второго поколения охватывают широкую область частот. Их удобно разделить на три категории: детекторы первой категории — это низкотемпературные варианты веберовских болванок, выполненных из ниобия, монокристаллического сапфира, а также алюминия, охлаждаемые с помощью жидкого гелия до температур 1—4 К и предназначенные для работы в диапазоне частот около и выше; детекторы второй категории пригодны для низких частот Гц и основаны на доплеровской локации межпланетных космических аппаратов; детекторы третьей категории используются на промежуточных частотах между миллигерцовым и килогерцовым диапазонами, они представляют собой лазерные интерферометры, работающие при комнатной тмпературе. Ниже сообщается о последних достижениях в каждом из этих направлений исследования.

13.6.1. Криогенные резонансные массивные детекторы

Очевидный выигрыш, достигаемый при охлаждении резонансной антенны до низких температур, связан со значительным уменьшением теплового шума. В такой системе фактором, ограничивающим предельную чувствительность детектора, может стать уже шум преобразователя или выходных электронных устройств. Преобразователи из пьезоэлектрической керамики, подобные тем, которые использовались в веберовской и разрезной болванках, не пригодны для использования в криогенных системах. В связи с этим были разработаны новые, более совершенные датчики специально для гравитационных детекторов. Они не подходят для разрезных антенн, поэтому все существующие низкотемпературные гравитационные антенны являются в основном антеннами веберовского типа. Тем не менее в деталях они имеют существенные различия.

Антенна, смонтированная в Стэнфорде, представляющая собой массивный алюминиевый цилиндр весом почти всегда находится в охлажденном состоянии при температуре 4,2 К 119]. Сигнал антенны формируется индуктивным сверхпроводящим преобразователем, установленным на торце болванки. Затем он усиливается с помощью сквида (сверхпроводящего квантового интерферометра). Таким образом, в данном случае низкий уровень механических и электрических потерь в сверхпроводниках используется для достижения малого шума в датчиках. Механическая добротность ненагруженной болванки и, как сообщают авторы, минимальная энергия, регистрируемая системой, составляет Это

приблизительно в 300 раз лучше, чем чувствительность разрезной болванки, указанная в табл. 13.1. Улучшение в первую очередь обусловлено уменьшением шума благодаря охлаждению.

Электромеханическая связь с сверхпроводящим преобразователем увеличена незначительно по сравнению с первой веберовской болванкой.

Детекторы, подобные работающему в Стэнфорде, используются в других экспериментальных группах, в частности в Университете Луизиана во Фраскати около Рима. Датчик, применяемый луизианской группой, отличается от того, который установлен на антенне в Стэнфорде. Движение торцов, болванки вызывает модуляцию собственной частоты двух СВЧ-резонаторов, которые входят в состав сверхпроводникового параметрического усилителя.

Группа из Перта (Австралия) создает ниобиевую которая будет подвешена на сверхпроводящем подвесе. Масса, болванки составляет несколько десятков килограмм, механическая добротность при рабочей температуре около Другая оригинальная идея, предложенная В. Б. Брагинским из Москвы [8], состоит в использовании болванок с относительно небольшой массой изготовленных, например, из монокристалла сапфира. Определенные монокристаллы обладают предельно низкими потерями. Механическая добротность сапфировых кристаллов, рассчитанная теоретически, составляет приблизительно 10132). Как было показано в разд. 13.4.5, минимальная энергия, регистрируемая резонансной антенной, уменьшается при увеличении ее механической добротности. Именно по такому пути совершенствования резонансных антенн идет московская группа. Они уже работают с сапфировыми кристаллами механическая добротность которых превосходит Основная трудность, возникающая при использовании столь высокодобротных систем, связана с сопряжением антенны и датчика.. Оно должно быть таким, чтобы не вносить значительное дополнительное затухание в антенну. Московская группа применяет емкостный СВЧ-датчик для регистрации колебаний антенны.

13.6.2. Слежение за спутниками

Низкочастотное гравитационное излучение в диапазоне Гц можно регистрировать посредством доплеровской локации положения межпланетных космических аппаратов.

Метод основан на том, что гравитационная волна создает малые относительные смещения Земли и удаленного космического аппарата, которые в свою очередь приводят к флуктуации доплеровского сдвига частоты сигналов, посылаемых на спутник и отраженных от него. Первые серьезные попытки использовать этот эффект планировалось предпринять в мае 1983 г. в экспериментах, проводимых на борту двух спутников, одного американского, а другого европейского, предназначенных для исследования Солнца. Конечно, самой серьезной трудностью при проведении такого эксперимента является шум системы доплеровского слежения. Он обусловлен целым рядом шумовых источников, включая случайные вариации коэффициента преломления вдоль пути следования сигнала из-за солнечного ветра и подобные вариации в тропосфере Земли. Эти эффекты невозможно исключить. Но их влияние можно уменьшить, если шумовые источники будут достаточно аккуратно учтены.

13.6.3. Лазерные интерферометры, работающие при комнатных температурах

В промежуточной области частот наиболее перспективным является использование лазерных интерферометров. Форвард 113] в свое время разработал детектор гравитационных волн, чувствительный в диапазоне частот около 100 Гц. Основным звеном эксперимента являлся модифицированный интерферометр Майкельсона, имеющий два плеча, расположенные под прямым углом друг к другу, и три массы, одна на пересечении плеч и две других на их концах. Массы находились на расстоянии около друг от друга. Форвард и его группа могли регистрировать относительные движения масс на уровне приблизительно что примерно в 10 раз хуже, чем на веберовской болванке. Но, учитывая относительную простоту прототипа, результаты казались обнадеживающими.

Как и в других гравитационных антеннах, шумы в оптической системе являются основным фактором, ограничивающим чувствительность. В данном случае флуктуации числа фотонов, излучаемых источником, устанавливают абсолютный предел для ожидаемого отношения сигнал — шум. Обсуждение этого и других аспектов лазерных систем было дано Древером [8] и Торном [20].