|
Толстая кора Луны может усиливать неуловимые сигналы
|
|
|
|
Гравитационные волны — это крошечные рябь в ткани пространства-времени, возникающие при ускорении или столкновении массивных объектов в космосе. Обнаруживая эти волны, астрофизики могут изучать различные космические события, включая слияния черных дыр, столкновения нейтронных звезд и раннюю эволюцию Вселенной.
|
|
|
|
В разных географических регионах мира расположено несколько обсерваторий гравитационных волн. Хотя эти детекторы очень чувствительны к крошечным изменениям, связанным с рябью в пространстве-времени, они пока не могут обнаруживать волны во всех частотных диапазонах.
|
|
|
|
Исследователи из Китайской академии наук и Пекинского университета недавно вновь рассмотрели возможность использования Луны для усиления гравитационных волн с частотами от 0,01 до 1 герц (Гц), диапазоном, который остается в значительной степени недоступным для современных детекторов гравитационных волн.
|
|
|
|
В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они предполагают, что неровная поверхность Луны может усиливать обнаруживаемые сигналы гравитационных волн.
|
|
|
|
«Около трех лет назад со мной связался ученый из Китайской академии наук с просьбой предоставить подробную информацию о развертывании лунного сейсмометра, поскольку профессор Меньяо Ван из Пекинского педагогического университета надеялся узнать об основных условиях Луны для проектирования системы, подобной LIGO, на Луне», — рассказал Phys.org соавтор статьи Цзиньхай Чжан.
|
|
|
|
|
|
|
«С тех пор я постепенно стал частью удивительного сотрудничества астрономов, инженеров и планетологов. Будучи главным исследователем лунного сейсмометра на борту миссии «Чанъэ-7», я предоставил подробную информацию, которую я узнал о Луне; в то же время я многое узнал о том, что происходит на переднем крае физики и астрономии».
|
|
|
|
Когда гравитационные волны проходят через Луну, они вызывают её минимальное растяжение и сжатие, что может приводить к возникновению крошечных сейсмических колебаний. Исследователи изучили возможность обнаружения этих сейсмических откликов, по сути, используя Луну в качестве гигантского стержня Вебера. Стержень Вебера — это детектор гравитационных волн, изобретённый Джозефом Вебером, который резонирует при прохождении через него гравитационных волн.
|
|
|
|
«В ходе наших первых обсуждений я понял, что все существующие анализы сейсмического отклика на гравитационные волны основаны на идеальных лунных моделях, без учёта влияния топографических вариаций и сильной латеральной неоднородности Луны», — объяснил Чжан.
|
|
|
|
«К счастью, соответствующие технические проблемы были полностью рассмотрены в области геофизики, особенно моей командой, включая то, как построить сильно неоднородную глобальную модель и как избежать численных артефактов, вызванных использованием грубых сеток или высоких частот».
|
|
|
|
Для надежной оценки возможности использования Луны в качестве сейсмометра Вебера исследователям сначала необходимо было разработать более реалистичную модель внутренней структуры Луны. Чжан создал новую лунную модель в тесном сотрудничестве с Сянь Чэнем, профессором астрофизики Пекинского университета, а также с другими молодыми китайскими физиками Лэй Чжаном и Хань Яном.
|
|
|
|
«Китайская миссия «Чанъэ-7» планирует развернуть первый широкополосный лунный сейсмометр вблизи Южного полюса осенью 2026 года, почти через 50 лет после прекращения новаторских сейсмических наблюдений в 1969–1977 годах», — сказал Чжан. «Это позволит определить фактический уровень фонового шума Луны, что облегчит обнаружение лунных гравитационных волн. Поэтому настало время тщательно рассмотреть реальное влияние Луны».
|
|
|
|
Лунные модели, разработанные ранее, рассматривают Луну как идеально гладкую и равномерно структурированную сферу. Однако в реальности Луна имеет пересеченную и значительно более хаотичную поверхность, с множеством кратеров, небольшими горами и неровной корой.
|
|
|
|
Исследователи создали наиболее реалистичную на сегодняшний день модель Луны и использовали её для прогнозирования её реакции на гравитационные волны. Эта модель позволила им определить, как конкретные участки Луны будут сильнее реагировать на гравитационные волны, что, в свою очередь, помогло им определить оптимальное место посадки лунного сейсмометра «Чанъэ-7».
|
|
|
|
«Основываясь на идеальной модели Луны, предыдущие работы предполагают, что доминирующая резонансная частота Луны должна находиться в диапазоне децигерц, но мы не знаем фактического эффекта из-за латеральных изменений топографии и толщины коры», — объяснил Лэй Чжан, первый автор статьи.
|
|
|
|
«Таким образом, мы создали первую численную модель высокого разрешения, используя в качестве основы реальную модель Луны, разработанную геофизиками для моделирования резонансных колебаний Луны, вызванных широким диапазоном частот от 0 до 0,2 Гц. В частности, наша модель включает в себя неровный рельеф поверхности Луны и, что наиболее важно, значительные колебания толщины коры по всей лунной поверхности».
|
|
|
|
Проведенный исследователями анализ показывает, что сигналы гравитационных волн будут усиливаться на целых 10% в областях, где самый толстый каменистый внешний слой Луны (то есть кора) более плотный. Кроме того, они предполагают, что в этих местах сигналы с частотой около 0,1 Гц могут усиливаться более чем в 10 раз, что означает, что их можно будет обнаружить с помощью тщательно разработанных будущих приборов.
|
|
|
|
«Мы также проверили наши численные результаты, используя полуаналитические модели, которые, по сути, включают гармоническое разложение лунной структуры и соответствующей вибрации», — сказал Чен. «Согласование удовлетворительное, что также указывает на то, что смешение различных гармонических мод может быть причиной усиления сигналов гравитационных волн в толстых областях лунной коры».
|
|
|
|
Недавняя работа Цзиньхая Чжана, Яна, Чена и Лэй Чжана может послужить ориентиром для будущих усилий, направленных на разработку и развертывание детекторов гравитационных волн на Луне. Если эти детекторы будут размещены в определенных местах на Луне, где кора толще, они смогут помочь улавливать и отслеживать сигналы гравитационных волн, которые до сих пор были недоступны, потенциально предоставляя новые данные о различных космологических событиях.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что Луна может издавать более громкие звуки в ответ на гравитационные волны, чем считалось ранее», — сказал Чен. «В прошлом недостающим элементом было изменение толщины лунной коры. Мы считаем, что наша работа важна для определения мест размещения будущих лунных сейсмометров. И такие более обоснованные решения значительно повысят научную отдачу от проектов лунной сейсмологии».
|
|
|
|
Группа исследователей из Китайской академии наук и Пекинского университета планирует новые исследования, направленные на дальнейшее изучение идей, представленных в их статье. В частности, исследователи будут использовать теорию для прогнозирования сигналов, которые вскоре могут быть обнаружены сейсмометром «Чанъэ-7», чтобы сравнить свои прогнозы с реальными наблюдениями.
|
|
|
|
«Китайский космический аппарат «Чанъэ-7» будет запущен в этом году и установит сейсмометр вблизи южного полюса Луны», — добавили Лэй Чжан и Чен.
|
|
|
|
«Мы планируем смоделировать показания сейсмометра «Чанъэ-7» и сравнить это теоретическое предсказание с реальными данными. Хотя сейсмометр «Чанъэ-7» не обладает достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационных волн, он предоставит ценные данные, которые значительно улучшат нашу модель Луны и помогут нам лучше планировать следующие миссии «Чанъэ» и установку сейсмометров».
|
|
|
|
Источник
|
