Звёзды-детекторы помогут учёным ухватить неуловимые волны
Как будто бы капризная жар-птица, гравитационные волны никак не даются в руки людей. Не смотря на то, что косвенные показатели их существования имеются. Дабы подтвердить принятую учёными картину мироздания и заодно открыть целый кладезь информации о Вселенной, физики и астрологи идут на всяческие ухищрения.
Среди последних — проект по созданию гравитационного телескопа размером с Галактику.
Данный план не так уж абсурден, как думается на первый взгляд. В соответствии с теории, гравитационная волна, проходя через какой-то участок пространства, чуть-чуть растягивает и сжимает его в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Поместив на пути волны пробное тело и измерив его геометрию с высокой точностью, по идее, гравитационную волну возможно уловить. Вот лишь эффект данный мал. Чтобы усилить его, необходимо или создавать ужасные по размеру установки, или… искать пробные тела в далёком космосе.
Но по порядку. Сильные гравитационные волны смогут быть порождены вращением неидеальных нейтронных звёзд, их способны кроме этого генерировать разные катастрофические процессы во Вселенной, наподобие слияния чёрных дыр, коллапса тесных двойных звёздных совокупностей, а, по некоем версиям, и смерть суперструн.
Наконец, хаотичные перемещения широкомасштабных неоднородностей вещества в первые доли секунды существования Вселенной кроме этого должны были покинуть по окончании себя след из космологических гравитационных волн. Воображаете, сколько новых знаний возможно почерпнуть из для того чтобы источника?
Для поимки узкой ряби в ткани пространства-времени исследователи выстроили пара громадных наземных установок (таких как LIGO в Соединенных Штатах) и планируют кроме того запустить детекторы на орбиту (обращение о группе спутников LISA, мало подробностей этого проекта возможно отыскать тут).
Проект LIGO располагает двумя детекторами гравитационных волн: в штатах Луизиана и Вашингтон. На снимке – второй из этих многокилометровых устройств (фото с сайта en.wikipedia.org).
Увы, результаты долгих наблюдений до тех пор пока неутешительны. Чувствительности устройств всё ещё не достаточно для поимки жар-птицы. А казалось, победа близка.
Так как современная аппаратура способна уловить колебания в длине плеча лазерного интерферометра (один из видов гравитационных телескопов), насчитывающие тысячные доли диаметра ядра атома. И это — при расстоянии между зеркалами детектора в много метров а также в пара километров.
Авторы нового суперпроекта считают, что за научным счастьем направляться топать в другом направлении. Несколько учёных из полутора десятка научных организаций США, Канады и Франции трудится над развитием «Американской наногерцевой обсерватории гравитационных волн» (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves — NANOGrav). И пускай обсерватория будет размешаться на Земле, но, в этом вся красота плана, пробные тела, издевательства гравитационных волн над которыми и будут измеряться, расположены за большое количество тысяч световых лет от отечественного голубого шарика.
В качестве детекторов авторы проекта собираются применять порядка много миллисекундных пульсаров — это безумно вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие периодические радиоимпульсы с точностью и аккуратностью, которым позавидуют каждые ядерные часы. Сами нейтронные звёзды также способны генерировать гравитационные волны, но в этом случае исследователей интересует умение пульсаров откликаться на прохождение через них таких волн, отправленных каким-нибудь вторым источником.
Несколько пульсаров в новом проекте выступает в роли поплавков, раскачивающихся при прохождении по космосу искажений пространства. Кстати, обсерватория NANOGrav собирается выявлять низкочастотные гравитационные волны в диапазоне от наногерц до микрогерц (иллюстрация NANOGrav).
Расчёты говорят, что в таковой ситуации в строгой последовательности радиосигналов случится маленький сбой — очередной «писк» будет издан чуть-чуть позднее либо чуть-чуть раньше номинального времени. Действительно, дабы таким методом ухватить-таки отечественную жар-птицу за хвост, необходимо, дабы погрешность измерения времени прихода каждого импульса не превышала 100 наносекунд.
Только для нескольких самых «успешных» пульсаров на данный момент достигнута такая погрешность измерений. А для надёжной поимки искажений пространства лучше располагать точностью ещё более высокой. Не беда, утверждают астрологи, в течение следующего десятилетия точность «лучше 100 наносекунд» окажется достижима.
305-метровая «чаша» радиотелескопа в Аресибо известна кроме того многим людям, далёким от астрономии. Это одно из самых лучших отечественных «окон» во Вселенную, питающее исходными данными множество изучений.
И это – самый большой радиотелескоп с единичной антенной в мире (фото National Astronomy and Ionosphere Center).
на данный момент проект проводит первые пробные наблюдения, приобретая эти с радиотелескопов обсерваторий «Аресибо» (Arecibo Radio Telescope) в Пуэрто-Грин и «Рико Бэнк» (Green Bank Telescope) в Западной Вирджинии.
Но участники проекта NANOGrav сохраняют надежду в будущем взять толику рабочего времени на грандиозных радиотелескопах-интерферометрах нового поколения. К таковым относят, к примеру, «Телескоп Аллена» (Allen Telescope Array — ATA), расположенный в Калифорнии.
На данный момент в составе «Телескопа Аллена» трудятся 42 «тарелки», но в финале их окажется 350. Суммарная собирающая площадь этих антенн будет эквивалентна одной «чаше» диаметром 114 метров (фото SETI Institute).
Он получил не в полную силу в 2007-м, но всё ещё расширяется . Напомним, основная цель этого комплекса — поиск сигналов от братьев по разуму. В один момент же научное сообщество проводит на нём изучения далёких звёзд, туманностей и галактик.
В собственном финальном варианте ATA станет одним из самых зорких радиотелескопов мира. Но самым-самым окажется ещё лишь проектируемый Square Kilometer Array (SKA), имя которого возможно перевести как «Массив в квадратный километр».
Под одним квадратным километром тут подразумевается кроме того не занимаемый комплексом на земле участок, а суммарная приёмная площадь всех составляющих его антенн, россыпь которых растянется на 3000 километров.
Данный интернациональный проект предусматривает возведение замысловатой «фигуры» из тысяч антенн двух видов – наклонных «блюдец» и горизонтальных плоских панелей с синтезированной апертурой. В качестве места строительства до тех пор пока названо пара подходящих площадок в различных государствах, но два основных претендента — Австралия и ЮАР. Выбор между ними будет сделан в 2011 либо 2012 году.
Комплекс Square Kilometer Array обязан располагать ядром поперечником в 5 километров, в котором сосредоточится добрая половина антенн. Ещё часть расположится в десятках 200-метровых станций, размещённых в виде спиральных «галактических рукавов» около ядра.
Эти рукава раскинутся на 150 километров. И ещё некая толика станций поместиться в пределах 3000 км. Все эти части супертелескопа будут функционировать согласованно (иллюстрации Xilostudios, SKA).
SKA будет в 50 раз более чувствительным, чем какой-либо второй радиотелескоп в мире, а обзор неба он сможет делать в 10 тысяч раз стремительнее. SKA будет трудиться в достаточно широком диапазоне частот (70 мегагерц — 25 гигагерц), и затруднительно кроме того перечислить все «цели», каковые могут быть в его «перекрестии». Неудивительно, что инициаторы проекта NANOGrav собираются взять толику рабочего времени и на этом неповторимом инструменте.
Но перед тем как поток сырых данных превратится в «явные» сигналы от пробегающих по Галактике гравитационных волн, учёным потребуется «раскусить» последовательность сложных задач.
К примеру, необходимо проработать вычитание и выявление из исходных сигналов искажений, вносимых в них по мере прохождения радиоизлучения через космос (на пути электромагнитных волн от пульсаров смогут попадаться громадные тучи заряженных частиц). Имеется и другие задачи в области железа и софта. Но все они — решаемые. (Громадная статья учёных о замыслах проекта NANOGrav, его научной и технической составляющих размещена на сервере arXiv.org.)
Robert C. Byrd Green Bank Telescope – так всецело именуется это большое сооружение. Его практически круглая антенна насчитывает в поперечнике 100 х 110 метров, и это самый большой радиотелескоп на планете из тех, основное «зеркало» которых способно всецело поворачиваться.
Подвижная часть телескопа, кстати, весит 7300 тысячь киллограм (фото National Radio Astronomy Observatory).
Итак, отечественные храбрецы, как будто бы сказочные персонажи, приобретают «богатства», не прикладывая особенных упрочнений. В случае если другие искатели гравитационных волн тратят большие средства на постройку неповторимых наземных детекторов, авторы проекта NANOGrav собираются практически обойтись минимумом собственной «материальной базы». Всё, что им пригодится, — рабочее время на наибольших радиотелескопах мира (оно не бесплатное, но, учитывая грандиозность задачи, — стоит недорого) и компьютеры для анализа собранных данных.
По оценке экспертов, в полную силу проект обязан получить к 2020 году (приблизительно к этому сроку будет завершено развёртывание громадных массивов ATA и SKA), не смотря на то, что и в 2010-х NANOGrav не будет бездействовать: продолжатся изучения при помощи аппаратуры в «Аресибо» и «Грин Бэнк». Цена же работ окажется на уровне $66 миллионов за 10 лет наблюдений.
Детектор галактического масштаба окажет помощь пролить свет на физику ранней Вселенной, уточнить картину периода инфляции, прозондировать природу пространства-времени, внести корректировки в строящееся строение квантовой теории гравитации, раскрыть картину совместной эволюции галактик и сверхмассивных чёрных дыр в их ядрах, а ещё, возможно, открыть малоизвестные до тех пор пока типы источников гравитационных волн.
