КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Розділ 10

МЕТОДИ РЕЄСТРАЦІЇ ВИПРОМІНЮВАННЯ НЕБЕСНИХ ТІЛ

10.4. Нейтринні і гравітаційно-хвильові детектори

В останні десятиліття активно обговорюють і здійснюють практичні зусилля для реєстрації принципово нових потоків астрономічної інформації — нейтрино і гравітаційних хвиль.

Нейтринні «телескопи». Як відомо, у надрах зір, де відбувається синтез гелію, реакції супроводжуються перетворенням протонів в нейтрони з випромінюванням нейтрино (р → n+ e+ + ve). Нейтрино вільно пронизують усю товщу зорі і виходять у міжзоряний простір. Уже розроблено декілька методів їх реєстрації і досягнуто в цьому напрямку певних успіхів.

У 1946 р. Б. М. Понтекорво (СРСР) для реєстрації сонячних нейтрино запропонував реакцію, в якій при взаємодії нейтрино з ізотопом хлору 37Cl утворюється радіоактивний ізотоп аргону 37Ar:

image90

Він розпадається за схемою:

image91

з періодом піврозпаду, що дорівнює 34 добам. Анігіляція позитрона з електроном призводить до утворення двох-трьох квантів світла, які й можна зареєструвати.

Спроби вловити нейтрино розпочав Р. Девіс (США) у 1955 р. У 1967 р. у штаті Південна Дакота в закинутій шахті на глибині 1455 м змонтували установку (горизонтальний циліндричний бак довжиною близько 14,4 м і діаметром 6 м), що містить 400 000 л (615 т) чотирихлористого вуглецю C2Cl4. У згаданій сполуці кожен четвертий атом хлору є ізотопом 37Cl. Порядок спостережень на цьому «телескопі» такий: після кожних 100 днів роботи через бак пропускають 20 000 л газоподібного гелію, що здатний захопити з собою ізотопи аргону 37Ar, які утворилися в баці. їх, за обчисленнями, у кожний момент часу має бути декілька десятків. Суміш газу (гелій з поодинокими атомами аргону) пропускають через вугільні фільтри, охолоджені до 77 К. Тут атоми аргону поглинаються. їх розпад за схемою (10.2) реєструють за допомогою лічильників світлових квантів. Результати вимірювань такі: у баці за кожні 2,3 доби утворюється один атом ізотопу 337Ar.

Інший варіант нейтринного «телескопа» — галієвий або літієвий детектор, де використовуються наступні реакції:

image92

image93

причому період піврозпаду ізотопу германія 71Ge становить близько 11 діб, а 7Be = 53 доби. Труднощі полягають у тому, що для отримання надійних результатів детектор повинен містити десятки тонн галію або літію, тоді як видобуток цих металів у світі дуже малий. Детектори на галії працюють,наприклад, у Італійських Альпах під горою Монблан та в надрах гори Андирчі поблизу Ельбруса (Північний Кавказ).

Існують так звані водяні детектори нейтрино, в яких використовують звичайну воду H2O або важку воду D2O (кожний атом водню тут містить окрім протона додатковий нейтрон). Принцип роботи водяних детекторів наступний. Нейтрино, проходячи крізь товщу звичайної води, збуджує електрони в молекулах H2O, або реагує з нейтроном молекули D2O з утворенням протона і енергійного електрона. Надлишок енергії швидко висвічуюється (відомий з фізики ефект черенковського випромінювання). Реєстрація цього випромінювання дозволяє не тільки підрахувати кількість нейтрино, які взаємодіють з речовиною детектора за одиницю часу, а ще й вказати напрямок руху нейтрино, а, отже, встановити напрямок на джерело цього випромінювання.

За описаним вище принципом діють такі водяні детектори, як наприклад, Super-Kamiokande (Японія) і Sudbury Neutrino Observatory (Канада). Перший містить 50 000 тонн звичайної, але дуже чистої (без домішок) води, а другий 1000 тонн важкої води.

Зауважимо, що наведені вище реакції за участю нейтрино, які, власно кажучи, і визначають типи нейтринних детекторів, мають певний поріг чутливості. Так, літієві і галієві детектори здатні зареєструвати нейтрино з енергією не нижче за 0,2 МеВ, хлорний детектор — не нижче 1 МеВ, а водяні — від 8 МеВ і вище.

Оскільки нейтрино низьких енергій дуже слабо взаємодіють зі звичайною речовиною, більшість нейтрино, які виникають в термоядерних реакціях у надрах Сонця, досить легко виходять за його межі у міжпланетний простір. Причина цього полягає у тому, що переріз реакції взаємодії нейтрино низьких енергій з речовиною є нехтовно малим. Але імовірність взаємодії з речовиною значно зростає, якщо нейтрино має велику енергію. Такі високоенергійні нейтрино виникають у великій кількості, наприклад, у земній атмосфері внаслідок бомбардування молекул повітря космічними променями. Щоб захистити нейтринний приймач (телескоп) від впливу таких високоенергійних нейтрино земного походження, які не становлять безпосереднього інтересу для астрофізики, його встановлюють глибоко під землею, куди можуть проникнути тільки нейтрино низьких енергій, зокрема сонячного походження.

Детектори гравітаційних хвиль. У 1916 р. було з'ясовано, що в природі можуть існувати слабкі збурення поля тяжіння, які, як і електромагнітні хвилі, є поперечними і також поширюються зі швидкістю світла. Під дією гравітаційної хвилі розподіл пробних зарядів (тобто пробних масових часток) періодично зазнає певної деформації, яка залежить від енергії хвилі.

Отже, гравітаційна хвиля, проходячи через певний розподіл мас, спричинює в ньому збурення сили тяжіння. Тому найпростішим детектором гравітаційних хвиль можуть бути дві кулі, з'єднані пружиною. Якщо на них

перпендикулярно до осі, що з'єднує центри куль, падає гравітаційна хвиля, то відстань між кулями буде позмінно збільшуватися і зменшуватися.

Джерелом гравітаційних хвиль є будь-який асиметричний рух речовини. Це може бути зоря, якщо вона здійснює так звані квадрупольні пульсації, тобто стискається і розтягується, наприклад, уздовж осі її обертання. Джерелами гравітаційних хвиль є подвійні зорі, а також зоря, яка зазнає різкого стиску — колапсу, якщо лише внаслідок дії певних причин (обертання, дія магнітних сил) цей колапс не є сферично-симетричним.

З 1958 р. Дж. Вебер (США) пробував зареєструвати гравітаційні хвилі. Його детектор — алюмінієвий циліндр довжиною 1,54 м, діаметром 0,6 м і масою 1,5 т, підвішений на спеціальній тонкій нитці в рамі зі сталевих блоків і поміщений у вакуумну камеру, оточену чутливими акустичними фільтрами. Розтяг і стиск циліндра під дією гравітаційної хвилі датчики можуть реєструвати з величезною точністю.

Щоб уникнути похибок, пов'язаних, наприклад, з коливанням земної кори або електричним розрядом в атмосфері, Вебер встановив два аналогічні детектори на відстані 1000 км. Система реєструє лише ті сигнали, початки яких співпадають з точністю до 0,2 с. Ці детектори і справді упродовж багатьох місяців реєстрували в середньому один імпульс на кожні п'ять діб. Однак дотепер жодна інша лабораторія цього не підтвердила, і питання про природу зареєстрованих Вебером сигналів залишається нез'ясованим.

Зараз розробляють інші методи реєстрації гравітаційних хвиль, зокрема, за допомогою гетеродинних антен, подібних на велику гантель, яка обертається з частотою ν0навколо осі, що проходить через її центр. Якщо на таку гантель паралельно її осі падає гравітаційна хвиля, частота якої удвічі більша за ν0, то обертання гантелі буде прискорюватися.

Уже розроблені твердотільні гравітаційні антени другого покоління, в яких п'ятитонні алюмінієві циліндри охолоджуються до 2 К, а датчики яких здатні реєструвати амплітуди коливань до 2· 10-17 см. У США введено в дію велику лазерно-інтерференційну гравітаційно-хвильову обсерваторію ЛІГО, один інтерферометр якої з базою 4 км встановлено у штаті Луїзіана, другий з такою ж базою — у штаті Вашингтон. Інструменти об'єднані за допомогою ЕОМ. Є плани будівництва великих інтерферометрів для цієї ж мети і в інших країнах, а також встановлення супутникових гравітаційних антен, в яких база досягала б сотень мільйонів кілометрів.

І хоча безпосередньо гравітаційні хвилі з певністю не зареєстровано, є спостережувані дані, які підтверджують їхнє існування. Прикладом може бути зменшення періоду обертання системи двох нейтронних зір із сузір'я Орла навколо спільного центра мас. Одна з них є пульсаром (див. підрозділ 17.4), який проходить через періастр з випередженням. Як показав аналіз, спостережувані втрати енергії системи, знайдені за зменшенням періоду її обертання, з точністю до 10% узгоджуються з втратами, передбаченими на випромінювання гравітаційних хвиль.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.