Введение к работе
1.1 Актуальность темы
Поиск космического гравитационного излучения — одно из основных направлений современных фундаментальных физических исследований. Экспериментальное обнаружение гравитационных волн (ГВ) стало бы не только прямым доказательством их реального существования и подтверждением справедливости релятивистской теории гравитации (ОТО), но главное, стало бы началом освоения нового канала астрофизической информации. Есть надежда что этот канал может служить источником уникальных наблюдательных данных для изучения недр галактик, квазаров, шаровых скоплений, внутреннего строения релятивистских звезд, гравитационного коллапса и даже физических условий на самых ранних стадиях эволюции Вселенной [1-4].
Хотя косвенное свидетельство существования ГВ имеется уже сейчас в виде систематического уменьшения орбитального периода двойного пульсара PRS1913+16 вследствие потери энергии на ГВ-излучение, очевидно, что это не может заменить потребность непосредственной регистрации гравитационных волн.
В последние годы достигнут значительный прогресс в создании высокочувствительных гравитационных антенн с использованием, во-первых, резонансных твердотельных цилиндрические детекторов, и, во-вторых, большебазовых лазерных интерферометров на свободных массах. Так. уже через несколько лет в программах LIGO it VIRGO [5] планируется достичь чувствительности, достаточной для регистрации ГВ в широкой полосе частот ~ 100 — 1000 Гц. Характерной особенностью обоих типов детекторов является нензотропность в отношении падающего ГВ-излучения, т.е. наличие выраженной диаграммы направленности. От этого недостатка свободен однако сферический ГВ-детектор [6-9], который в силу своей полной симметрии является изотропным ("all-sky detektor") и всеполярнзационным приемником ГВ-излучения. Кроме того, благодаря пятикратному вырождению мод шарового детектора его резонансное поперечное сечение возрастает примерно в пять раз по сравнению с цилиндрическим детектором. Работы по созданию сверхохлажденных (20 тК) сферических ГВ-детекторов в настоящее время ведутся рядом исследовательских групп [7-9].
Естественным сферическим детектором являлась бы Земля и идея ее использования для приема низкочастотного ГВ-излучения обсуждалась первоначально Дж. Вебером [10], а затем и другими исследователями [11, 12]. При этом рассматривалось возбуждение нормальных квадрупольных колебаний Земли „S2, наинизшая мода которых 0- имеет период ~ 54 мин, добротность ~ 400.
После открытия пульсаров появился другой подход к проблеме, в герцовой области [13, 14], апеллирующий к идее сейсмографического детектирования сейсмоакус-тических поверхностных волн, возбуждаемых в земной коре ГВ излучением пульсаров. Основным качественным результатом здесь является вывод о том, что в упругой среде ГВ поглощаются на неоднородностях модуля сдвига д. Известно [15-17], что Земля состоит из нескольких основных слоев (оболочек): кора, мантия, внешнее жидкое ядро (/i = 0), внутреннее твердое ядро, на границах раздела которых и на
внешней поверхности Земли модули сдвига претерпевают скачкообразные изменения. По-видимому, сейсмографическое детектирование ГВ в случае его реализации могло бы дать также новую методику для исследования внутреннего строения Земли.
Идея сейсмического детектирования была рассмотрена недавно в работах [18-20] уже в ином ключе: по отношению к детектированию коротких мощных ГВ-всплесков от релятивистских источников в диапазоне частот ~ 0.01 - 0.1 Гц. Здесь астрофизический прогноз интенсивности ГВ-всплесков более благоприятен и предсказывает для безразмерной вариации метрики величину h = 10~16 - Ю-17 за время всплеска на орбите Земли [4, 21-23]. Дополнительными преимуществами здесь являются: так называемое "окно прозрачности" [24] в спектре сейсмического шума в указанной полосе частот и гипотеза Садовского [25] о блочной структуре земной коры (хотя последняя для задачи детектирования не обязательна). В связи с этим было важно рассчитать реакцию локальной неоднородности ("блока") земной коры на короткие ГВ-всплески и определить экспериментальные методики выделения ГВ-отклика такого " геофизического" ГВ-детектора на фоне сейсмических шумов, что и было сделано во второй части диссертации.
Одним из возможных путей увеличения отношения сигнал/помеха в задаче сейсмографического детектирования ГВ-всплесков естественно является использование сейсмической решетки, составленной из N сейсмометров [26]. Однако, при использовании неоптимальных алгоритмов обработки выигрыш в лучшем случае будет ~
Отсюда актуализируется задача разработки оптимальных многоканальных алгоритмов фильтрации данных, учитывающих особенности ГВ-отклика сейсмической антенной решетки и специфическую спектральную "окраску" (корреляцию) сейсмических шумов в различных ее каналах. Эта задача решена в третьей части диссертации.
1.2 Цель работы
Исследование проблемы геофизического детектирования гравитационных волн путем решения следующих конкретных задач:
Задачи сейсмографической регистрации низкочастотных ГВ-всплесков на локальной неоднородности упругой среды; в частности, разработка и тестирование в модельном эксперименте алгоритмов фильтрации отклика " геофизического" ГВ-детектора, обеспечивающих максимальное подавление сейсмической помехи, включая синтез активных низкочастотных сейсмодатчиков и анализ их помехозащищенности.
Задачи детектирования низкочастотных ГВ по откликам адаптивной сейсмической антенной решетки, размещенной на поверхности Земли; разработка алгоритмов для оптимальной фильтрации ГВ-сигналов на фоне сейсмических шумов
с целью подавления коррелированных сейсмических помех и определение верхнего предела интенсивности космических ГВ-всплесков в полосе частот ~ 0.01 -0.1 Гц на основе цифровых данных сейсмической решетки "TERRASCOPE".
Задачи оценки верхнего предела на стохастический гравитационно-волновой фон (ГВФ) по данным долговременных режимных наблюдений за нормальными квадрупольными модами Земли на Баксанском лазерном деформографе ГАИШ МГУ.
Задачи поиска аномальной корреляции гравитационных и сейсмических возмущений в период вспышки Сверхновой 1987А.
1.3 Научная новизна работы
Хотя данная работа продолжает исследование проблемы сейсмографического детектирования ГВ-излучения, сформулированные в ней задачи (п. 1.2) во многом являются новыми по постановке и применяемой методике. В процессе их решения ряд результатов получен и опубликован впервые, среди них:
Расчет еейсмоакустнческих возмущений неоднородной упругой среды, индуцированных космическим ГВ-излучением и сейсмическими шумами для следующих моделей: блока земной коры, бесконечного полупространства и сферически-симметричной Земли в пределе высоких частот; предложен ряд оптимальных алгоритмов выделения ГВ-всплесков по откликам сейсмической антенной решетки, размещенной на границе среды.
Новые значения верхних пределов на интенсивность коротких ГВ всплесков в полосе частот ~ 0.01 — 0.1 Гц на основе цифровой многоканальной фильтрации данных сейсмической сети "TERRASCOPE" и на стохастический гравитационно-волновой фон в диапазоне ~ Ю-4 — Ю-2 Гц по данным долговременных режимных наблюдений за нормальными квадрупольными модами Земли на Баксанском лазерном деформографе ГАИШ МГУ.
Новый алгоритм фильтрации в схеме адаптивной компенсации сейсмических шумов в лазерио-интерферометрической антенне с использованием двух контрольных сейсмодатчиков, размещенных у пробных масс зеркал.
Новые данные к эффекту "гравитационно-нейтринной корреляции" в период, предшествующий вспышке Сверхновой 1987А получены при использовании сейсмограмм со станций "Обнинск" и "Москва".
1.4 Практическая ценность
Предложенные алгоритмы многоканальной оптимальной фильтрации позволяют за счет подавления коррелированной сейсмической помехи значительно увеличить чувствительность сейсмической антенной решетки при использовании ее, в частности,
как детектора ГВ-всплесков, а также других воздействий глобального характера, сопровождающихся сейсмоакустическими возмущениями.
Предложенная методика активной компенсации сейсмических шумов может быть использована в создающихся в настоящее время больших лазерно-интерферометри-ческих ГВ-антеннах (LIGO, VIRGO, GEO, ТАМА).
Статистический материал по гравитационно-сейсмической корреляции может быть использован для дальнейших исследований аномальных явлений, сопровождавших вспышку SN 1987А.
1.5 Личный вклад
Работа выполнялась автором в аспирантуре физического факультета МГУ и в отделе гравитационных измерений ГАИШ МГУ под руководством профессора, д.ф-м.н. В.Н. Руденко. Автором самостоятельно поставлены и решены задачи о сейсмографической регистрации низкочастотных ГВ-всплесков на локальной неоднородности упругой среды, о детектировании низкочастотных ГВ по откликам адаптивной сейсмической антенной решетки, размешенной на поверхности Земли. Им самостоятельно разработаны алгоритмы многоканальной цифровой фильтрации и проведены: численный модельный эксперимент по выделению низкочастотных ГВ-всплесков на фоне сильных импульсных шумов; оценивание верхних пределов интенсивности коротких ГВ-всплесков в полосе частот ~ 0.01—0.1 Гц и стохастического гравитационно-волнового фона в диапазоне ~ 10~4 - 10~2 Гц; корреляционный анализ гравитационных и сейсмических возмущений в период, предшествующий вспышке Сверхновой 1987А. Кроме того, им предложена методика адаптивной компенсации сейсмических шумов в лазерно-интерферометрической антенне с использованием дополнительных контрольных сейсмодатчиков. В публикациях, выполненных совместно с другими авторами, личный вклад автора диссертации составляет не менее половины. ;
1.6 Апробадия работы
Результаты работы докладывались на Третьем Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1988), на Международных школах по гравитации и космологии "Основания физики" (Сочи, 1989,1990), "Основания теории гравитации и космологи" (Сочи, 1991), на Международном симпозиуме по нейтринной астрофизике (Такаяма / Камиока, 1992), на 8-й и 9-й Российских гравитационных конференциях "Теоретические и экспериментальные проблемы гравитации" (Пушино, 1993; Новгород, 1996), на Первой международной памяти Эдуарда Амальди конференции "Гравитационно-волновые эксперименты" (Фраскати / Рим, Италия. 1994), на Международной школе по астрофизике и космологии (Бразилия, 1995), на заседаниях Координационного совета по гравиметрии ГАИШ, на научных семинарах в ОИФЗ РАН, на научных семинарах кафедры акустики, кафедры молекулярной физики и физических измерений физического факультета МГУ, а также на семинарах отдела гравитационных измерений ГАИШ МГУ.
1.7 Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 работ, список которых приведен в конце автореферата.
1.8 Объем и структура работы
