Seismometry telah menubuhkan sekatan baru pada intensiti gelombang gelombang graviti Alam Semesta • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Astrofizik

Seismometry telah mewujudkan sekatan baru ke atas keamatan gelombang gelombang graviti alam semesta.

Rajah. 1. Perubahan bentuk badan secara berkala di bawah tindakan gelombang graviti. Sila ambil perhatian bahawa gambar tidak betul menyampaikan arah gerakan gelombang: gelombang yang menyebabkan ubah bentuk sedemikian tidak sepatutnya disebarkan dalam satah angka, tetapi tegak lurus. Untuk kejelasan, magnitud deformasi ditingkatkan dengan kira-kira 20 pesanan magnitud. Imej dari gwoptics.org

Alam semesta diisi dengan bunyi gelombang graviti – gelombang graviti yang disempitkan secara rawak yang dipancarkan dalam pelbagai proses sepanjang hayat alam Semesta. Biasanya kesan gelombang graviti dicari pada peranti ultra sensitif khas, pengesan gelombang graviti. Penulis kajian baru pergi dengan cara yang berbeza – mereka menggunakan data dari seismometer yang dipilih secara khusus. Setelah memproses bacaan untuk tahun 2012, mereka menetapkan had baru dari atas ke atas bunyi gelombang gelombang graviti Alam Semesta di julat millihertz. Dalam julat frekuensi ini, batasan-batasan yang terhasil adalah satu bilion kali lebih besar daripada apa yang diketahui setakat ini.

Gelombang graviti dan carian mereka

Dalam fizik moden, graviti digambarkan sebagai hasil kelengkungan ruang masa.Badan-badan besar-besaran membuat gangguan dari ruang di sekitarnya, dan gangguan ini mempengaruhi pergerakan badan-badan lain. Tetapi gangguan ini juga boleh wujud dan tersebar di angkasa dan dengan sendirinya, walau jauh dari tubuh yang menimbulkannya. Gantian-gelaran masa yang berulang-ulang seperti ini disebut gelombang graviti, dan pencarian mereka adalah salah satu matlamat astrofizik moden yang dihargai.

Di satu pihak, tidak ada keraguan tentang kewujudan gelombang graviti. Ini adalah akibat yang tidak dapat dielakkan dari teori relativiti umum – teori graviti moden – yang telah disahkan dengan baik secara eksperimen. Selain itu, beberapa pemerhatian astrofizik menunjukkan kewujudan gelombang graviti. Contoh yang paling menarik ialah pulsar dalam sistem perduaan dekat, di mana sepasang bintang neutron mengorbit satu sama lain dan salah satunya dapat dilihat di Bumi menerusi sinaran radiasi berkala. Oleh kerana bintang-bintang neutron yang besar dan lokasi rapat mereka, sebahagian besar tenaga pergerakan mereka dibelanjakan pada pelepasan gelombang graviti. Akibatnya, kedua-dua bintang neutron secara beransur-ansur semakin dekat, pergerakan mereka dipercepat, yang harus dilihat dari tempoh penurunan pecah dari pulsar.Kesan ini sememangnya dikesan oleh contoh pulsar PSR1913 + 16, yang membawa penemuannya Hadiah Nobel dalam Fizik untuk tahun 1993 (lihat butiran dalam artikel: KM Will. Dual pulsar, gelombang graviti dan Hadiah Nobel // UFN. 1994. T. 164. ms 765-773).

Sebaliknya semua bukti yang memihak kepada kewujudan gelombang graviti kekal tidak langsung – sama ada perubahan dalam tempoh pulsar atau pengaruh gelombang graviti terhadap sifat radiasi latar belakang (khabar angin mengatakan bahawa pengumuman penemuan ini dijangka baru-baru ini). Walaupun setengah abad mencari, gelombang graviti belum lagi didaftarkan secara langsung, iaitu, dengan perpindahan mekanikal ciri peralatan supersensitif. Masalah di sini adalah bahawa offset ini sangat kecil. Kepekaan pengesan gelombang graviti belum lagi mencukupi untuk mengesan aliran gelombang graviti yang boleh dipercayai ke Bumi. Lebih tepat lagi, pengesan moden sudah dapat mendaftarkan lonjakan dari peristiwa skala kosmologi yang agak dekat, tetapi hanya perlu menunggu lama.Walau bagaimanapun, peralatan sentiasa dipertingkatkan, dan kawasan ruang yang tersedia untuk "menyelidik" oleh pengesan gelombang graviti meningkat, dan kini dijangka hanya beberapa tahun sahaja sebelum laporan sebenar pertama mengenai "menangkap" gelombang graviti.

Dalam memburu gelombang graviti terdapat dua arah yang berbeza dari pencarian. Pertama, ia cuba untuk menangkap percikan tunggal ombak, echo graviti dari beberapa peristiwa tunggal kuasa super (contohnya, penggabungan dua bintang neutron atau letupan supernova) yang berlaku di galaksi tidak jauh dari kami. Dinamik peristiwa sedemikian lebih kurang dapat diramalkan, jadi pelbagai frekuensi gelombang graviti di mana kejayaan pertama dijangka adalah kira-kira diketahui – puluhan dan ratusan hertz. Pengesan utama gelombang graviti disesuaikan dengan julat ini.

Kedua, ada latar belakang gelombang graviti stokastik – bunyi bising dari gelombang graviti asal yang berlainan, yang terbang di angkasa, bertindih antara satu sama lain dan mengisi seluruh Alam Semesta. Ia termasuk gelombang yang dihasilkan di alam semesta yang paling awal dan sangat panas,di mana terdapat cataclysms hebat, serta gelombang dari letupan tunggal atau penggabungan objek ruang besar, yang terkumpul dalam sejarah keseluruhan Alam Semesta. Jika kita membuat analogi akustik, maka gelombang tunggal adalah gelombang pendek dan kuat yang terdengar lebih tenang lagi dari sumber kita, dan latar belakang stokastik adalah bunyi yang berterusan, walaupun tidak begitu kuat, tetapi secara seragam mengisi seluruh ruang. Kekerapan gelombang graviti itu boleh terletak dalam pelbagai luas, dan ahli fizik cuba mendaftarkan latar belakang ini dengan segala cara yang tersedia untuk mereka.

Bumi sebagai pengesan gelombang graviti

Gelombang graviti adalah distorsi ruang, dilihat secara tempatan sebagai kesan graviti tambahan. Kesan ini menyebabkan ubah bentuk badan, dan ubah bentuk jenis yang sangat ciri. Jenis yang paling sederhana adalah penguncupan berkala dan peregangan badan dalam dua arah dalam antiphase (Rajah 1). Kedua-dua arah ubah bentuk adalah berserenjang dengan arah gelombang; sebagai contoh, jika gelombang datang dari atas, maka badan di bawah tindakan gelombang akan sedikit memampatkan dan meregangkan sedikit dalam dua arah melintang, dan selepas separuh tempoh pemampatan dan ketegangan akan mengubah tempat.

Keamatan set gelombang graviti saudara herotan badan, jadi lebih besar badan itu sendiri, semakin besar nilai mutlak ubah bentuk itu. Ada keinginan semulajadi untuk digunakan untuk pendaftaran gelombang graviti objek terbesar yang tersedia untuk kita untuk pengukuran langsung – Bumi itu sendiri. Perubahan bentuk bumi dengan kekerapan yang tinggi adalah sukar untuk diukur, bagaimanapun, adalah mungkin untuk mengukur ayunan tempatan permukaan bumi, dan saintis telah lama mempunyai instrumen yang merekodkan ayunan seperti – seismograf.

Segera ia menjadi jelas bahawa idea yang indah ini bertentangan dengan kesukaran semula jadi yang sama – aktiviti seismik. Bumi sentiasa gemetar, terkadang lebih kuat, kadang-kadang lemah; gegaran ini disebabkan oleh proses dalaman, dan tidak sama sekali oleh laluan gelombang graviti. Pada tahun 70-an, percubaan pertama dibuat jika tidak mendaftarkan gelombang graviti, sekurang-kurangnya untuk mendapatkan sekatan dari atas ke atas intensiti mereka (lihat T. Mast et al., 1972. Mencari Isyarat Seismik dari Sinaran Gravitasi Pulsar CP1133), namun dengan cepat ia menjadi jelas bahawa pengesan khusus menghadapi tugas yang lebih baik daripada mana-mana seismograf. Pengesan khusus paling banyak dilindungi dari seismicity dan ia mengukur sendiri ubah bentuk, manakala seismograf merekodkan ubah bentuk Bumi, tetapi mereka tidak dapat membezakan gelombang graviti dari seismicity semulajadi.

Butiran kerja baru

Satu kajian yang diterbitkan baru-baru ini dalam jurnal Surat Pemeriksaan Fizikal, menghidupkan semula idea lama ini. Penulis mengambil kesempatan daripada fakta bahawa sekarang terdapat rangkaian stesen seismik yang luas di seluruh dunia dan data mereka tersedia secara umum. Ini membolehkan kita tidak terhad kepada keterangan seismograf tertentu, tetapi untuk mencari korelasi antara kesaksian mereka – kerana gelombang graviti, yang bertindak di seluruh Bumi sepenuhnya, harus mengarahkan isyarat dalam semua seismograf.

Sudah tentu, dan di sini tidak mustahil kita melupakan bunyi seismik semulajadi. Sebagai contoh, membandingkan stesen seismik dekat dengan satu sama lain adalah tidak bererti: mereka bertindak sama rata kepada gempa kecil tempatan. Ia juga tidak begitu berguna untuk membandingkan dua seismometers yang terletak di tempat-tempat sewenang-wenang di Bumi, kerana mereka boleh bertindak balas dengan berbeza kepada laluan gelombang graviti. Yang paling optimum adalah pilihan sepasang seismograf yang terletak hampir di sudut bertentangan di Bumi – tindak balas mereka terhadap gelombang akan sama, dan bunyi seismik adalah sebanyak mungkin yang tidak terhubung antara satu sama lain.Dalam kes ini, adalah wajar untuk memilih pasangan seperti itu yang tidak terlalu zon aktif seismik. Hasil daripada kajian terperinci, penulis kerja memilih 20 pasang seismograf yang memenuhi kriteria ini (Rajah 2).

Rajah. 2 Pasang seismometers yang dipilih untuk kajian ini terletak di rantau diametrik yang bertentangan di dunia. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Walau bagaimanapun, korelasi seismik juga wujud antara stesen yang jauh. Pengayun frekuensi rendah, contohnya, menyebar dengan baik ke seluruh Bumi, dan untuk mengelakkan pengaruh mereka, penulis mengurung diri ke julat frekuensi di atas 0.05 Hz (iaitu, tempoh ayunan kurang dari 20 saat). Di samping itu, diketahui bahawa gempa bumi yang kuat dirasakan di seluruh planet ini, maka penulis tidak mengambil kira pembacaan seismograf pada hari selepas setiap gempa bumi dengan magnitud 8 atau lebih, serta dalam masa dua jam selepas gempa bumi dengan magnitud di atas 6.

Penulis karya ini membina dan menyimpulkan fungsi korelasi untuk semua pasang seismograf mengikut data untuk tahun 2012, dengan pengecualian tempoh "mati" selepas setiap gempa bumi utama. Spektrum seismik yang dihasilkan ditunjukkan dalam Rajah. 3Kesimpulan umum adalah seperti berikut: spektrum sangat sesuai dengan model bunyi seismik, dan tiada penyelewengan yang ketara daripada aktiviti seismik tulen telah dijumpai. Ini membolehkan anda menetapkan had di frekuensi rantau ini pada intensiti gelombang graviti stokastik yang jatuh ke Bumi.

Rajah. 3 Spektrum seismik disimpulkan di atas semua penganalisis pasangan stesen untuk tahun 2012. Pengagihan yang dihasilkan sesuai dengan baik di antara keduanya garis hitam, yang menunjukkan sempadan kawasan yang dijangkakan bunyi seismik semulajadi. Hakikat bahawa pengedaran tidak melampaui batas-batas ini bermakna tiada kesan luaran, termasuk pengaruh gelombang graviti, didaftarkan. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Sekatan ini ditunjukkan oleh garis merah di rajah. 4. Dengan sendirinya, nombor ini mengatakan sedikit kepada bukan pakar, tetapi dua perkara di sini jelas menarik. Jika kita membandingkan hasil yang diperoleh dengan sekatan yang sama di kawasan frekuensi lain, kedua-dua ultra-rendah, dengan tempoh jam dan hari, dan tinggi, ratusan hertz, maka dimensi baru kehilangan beberapa pesanan magnitud kepada mereka.Tetapi ini tidak menghairankan: julat frekuensi millihertz gelombang graviti sentiasa sukar untuk dikaji kerana latar belakang seismik yang tidak boleh ditanggalkan. Lebih penting lagi, dalam julat ini, kaedah baru telah membawa kepada satu bilion kali lebih baikdaripada keputusan sebelumnya 2011 dipasang pada antena twist TOBA. Ternyata bukannya cuba untuk menghilangkan latar belakang seismik, mungkin sebaliknya – untuk menggunakannya, memproses data seismograf secara keseluruhan dengan cekap. Kerja-kerja menunjukkan bahawa pendekatan ini mempunyai kelebihan yang besar terhadap satu pemasangan makmal khusus.

Rajah. 4 Eksperimentally ditubuhkan had atas kepadatan spektrum keamatan gelombang graviti stokastik latar belakang. Di rantau frekuensi rendah, had terbaik ditetapkan oleh probe ruang Cassini, di rantau frekuensi tinggi, oleh pengesan gelombang graviti LIGO, dan di rantau millihertz, hasil baru ternyata menjadi 10 pesanan magnitud yang lebih baik daripada had yang diperoleh pada pemasangan TOBA. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Pada akhir artikel, penulis mencatatkan bahawa batasan-batasan yang terhasil dapat ditingkatkan lagi.Ini dapat dicapai dengan mencari pencarian yang lebih teliti untuk pasangan seismograf yang sesuai dan analisis data untuk jangka masa yang lebih lama, dan dengan kaedah radikal. Sebagai contoh, anda boleh memasang seismometer moden pada bulan – kerana terdapat aktiviti seismik sendiri jauh lebih rendah daripada bumi. Ide untuk menggunakan Matahari (khususnya, data mengenai helioseismology) untuk mencari kesan gelombang graviti stokastik juga menarik, walaupun julat frekuensi di sini terletak pada julat mikrohertz. Walau bagaimanapun, yang paling menjanjikan, tentu saja, ialah projek pengesan gelombang graviti ruang, seperti pemasangan eLISA Eropah dan projek Jepun DECIGO. Anggaran menunjukkan bahawa di rantau millihertz ia mungkin untuk memperbaiki had semasa oleh 20 (!) Pesanan yang lain. Walau bagaimanapun, perniagaan ini agak masa depan yang jauh.

Sumber: M. Coughlin, J. Harms. Had Atas Ukuran Seismik dalam Julat 0.05-1 Hz // Fiz. Wahyu Lett. 112, 101102 (2014).

Lihat juga:
Sergey Popov. Gelombang Hantu Universe, "Sekitar Dunia" ı2, 2007.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: