Сапфір для хвилі
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Про гравітаційні хвилі писали чимало. Але досі виявити їх не вдається, навпаки, виявляється, що справа ще складніша, ніж передбачалося. Щоб дістатися цих хвиль, фізики йдуть на всілякі хитрощі, часом відкриваючи нові галузі науки.
Але насамперед пояснимо, чому такі невловимі гравітаційні хвилі. У принципі, будь-який рух потужного тіла, навіть у лабораторії, призводить до виникнення гравітаційних хвиль. Але через вкрай мале значення ньютонівської постійної їх величина мізерна. Наприклад, при вибуху атомної бомби потужністю сімнадцять кілотон потік гравітаційної радіації досягне лише тисячної частки ергу в секунду.
У космосі можуть відбуватися катаклізми колосальних масштабів. Вибухи зірок або, навпаки, їхній гравітаційний колапс породжують гігантські спалахи випромінювання — до 1054 ерг. До Землі може доходити потік хвиль з енергією 104 ерг на квадратний сантиметр. Якщо взяти дві маси на відстані метра один від одного, то на гравітаційній хвилі вони «хитаються» з амплітудою 10-19-10-17 сантиметра. Ось такі надмалі відстані і доведеться зареєструвати. Нагадаємо, що характерний розмір атома – 10-8, а атомного ядра – 10-12 см.
Навіть важко уявити собі, як виміряти такі малі переміщення, адже всі атоми будь-якої речовини знаходяться в тепловому русі і розмах його набагато більше, ніж ті мілімілімікрони, які треба зареєструвати. Доводиться охолоджувати антену до температури, близької до абсолютного нуля, так роблять експериментатори з американської лабораторії Стенфордського університету. Але можна піти іншим шляхом. У коливаннях є така важлива величина, як добротність. Вона характеризує, грубо кажучи, час, який антена «пам’ятає» випромінювання. Ось, наприклад, чим довше чути звук дзвона після удару по ньому, тим вища його добротність.
Дзвін — антена із сапфіру після «удару» гравітаційної хвилі довго коливатиметься, і це періодичне коливання можна буде помітити на тлі хаотичних теплових поштовхів.
Але складнощі на цьому не закінчуються. Щоб зафіксувати щонайменші переміщення, торець антени зроблений пластиною конденсатора. Як відомо, ємність конденсатора залежить від зазору між пластинами. Якщо пластина-торець почне вагатися від гравітаційної хвилі, цей сигнал буде зафіксований електронікою. Для реєстрації таких дрібних сигналів довелося розробляти спеціальні електронні пристрої. Зараз цю проблему вирішено, і апаратура дозволяє реєструвати зміщення 10-17 сантиметрів.
І досі залишається чимало проблем. Вчені займаються питанням ізоляції антени від коливань нашої планети. Не менш важливими є надійна теплоізоляція та охолодження. Наступ на гравітаційні хвилі ведеться широким фронтом, і можна сподіватися, що він увінчається успіхом.