Учёные обнаружили на Луне природный усилитель гравитационных волн

Гравитационные волны представляют собой чрезвычайно слабые колебания пространства-времени, возникающие при ускорении или столкновении массивных космических объектов. Их обнаружение позволяет астрофизикам изучать слияния чёрных дыр, столкновения нейтронных звёзд и процессы, происходившие на ранних этапах эволюции Вселенной.

Сегодня в разных регионах Земли работают несколько обсерваторий гравитационных волн. Несмотря на высокую чувствительность этих установок к крошечным изменениям, вызываемым гравитационными волнами, существующие детекторы пока не способны регистрировать сигналы во всём диапазоне частот.

Учёные из Китайской академии наук и Пекинского университета вновь рассмотрели возможность использовать Луну в качестве естественного усилителя гравитационных волн с частотами от 0,01 до 1 Гц. Этот диапазон в значительной степени остаётся недоступным для современных детекторов гравитационных волн.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные показали, что неоднородная и неровная поверхность Луны, а особенно различия в толщине её коры, могут усиливать вызываемые гравитационными волнами колебания. Это потенциально открывает новый способ регистрации сигналов, которые пока невозможно обнаружить с помощью земных обсерваторий.

Луна как естественный детектор гравитационных волн

Когда гравитационная волна проходит через Луну, она вызывает крайне небольшое растяжение и сжатие спутника, которое способно приводить к слабым сейсмическим колебаниям. Учёные исследовали возможность регистрировать такие движения, фактически используя Луну в качестве гигантского резонансного детектора, похожего на так называемый стержень Вебера.

Стержень Вебера — это детектор гравитационных волн, разработанный физиком Джозефом Вебером. Он представляет собой резонансную систему, которая начинает колебаться под воздействием проходящей гравитационной волны.

По словам соавтора исследования Цзиньхая Чжана, первоначальный интерес к этой теме возник около трёх лет назад, когда один из учёных Китайской академии наук обратился к нему за информацией о размещении лунного сейсмометра. Профессор Мэнъяо Ван из Пекинского педагогического университета рассчитывал использовать эти сведения для изучения условий на Луне и разработки системы, напоминающей детектор LIGO.

Впоследствии Чжан стал участником совместной работы астрономов, инженеров и планетологов. В качестве главного исследователя лунного сейсмометра миссии «Чанъэ-7» он предоставил команде данные о Луне, одновременно получая информацию о современных исследованиях на переднем крае физики и астрономии.

В предыдущих работах при оценке сейсмического отклика Луны на гравитационные волны обычно использовались идеализированные модели. В них Луна рассматривалась как гладкая сфера с однородным внутренним строением, без учёта реального рельефа и значительных различий в толщине коры.

По словам Чжана, именно эти особенности могут существенно менять реакцию Луны на гравитационные волны. Поэтому исследователи решили создать гораздо более реалистичную модель спутника.

Учёные создали реалистичную модель Луны

Для оценки возможности использования Луны в качестве гигантского детектора гравитационных волн исследователям сначала потребовалась подробная модель её внутреннего строения. Чжан разработал такую модель совместно с профессором астрофизики Пекинского университета Сянем Чэнем, а также физиками Леем Чжаном и Хань Янем.

Особое значение эта работа приобретает в связи с китайской миссией «Чанъэ-7». В рамках миссии планируется разместить в районе южного полюса Луны первый широкополосный лунный сейсмометр. Запуск «Чанъэ-7» запланирован на 2026 год, а размещение сейсмометра должно предоставить реальные данные об уровне сейсмического шума на Луне.

Такая информация необходима для оценки перспектив будущих лунных детекторов гравитационных волн. Реальный уровень фонового шума позволит понять, насколько чувствительной должна быть аппаратура и какие особенности лунного строения необходимо учитывать.

Поверхность Луны значительно отличается от идеализированной гладкой сферы. На ней находятся многочисленные кратеры, горы и другие неровности, а толщина коры заметно меняется от одного участка к другому.

Исследователи создали высокоточное численное представление Луны и использовали его для расчёта реакции спутника на гравитационные волны. Модель позволила определить участки, где колебания могут быть сильнее, а также оценить потенциально оптимальные места для размещения будущих сейсмометров.

Предыдущие исследования, основанные на идеализированной модели Луны, показывали, что её основная резонансная частота должна находиться примерно в децегерцовом диапазоне. Однако до сих пор оставалось неизвестным, насколько сильно на этот отклик влияют реальные различия рельефа и толщины коры.

В новой модели учёные рассмотрели колебания Луны в широком диапазоне частот от 0 до 0,2 Гц. При этом они впервые одновременно учли реальный рельеф поверхности и, что особенно важно, значительные различия толщины лунной коры.

Толстая кора способна усилить сигнал более чем в десять раз

Расчёты показали, что в областях, где лунная кора толще, амплитуда отклика на гравитационные волны может увеличиваться примерно на 10 процентов. Однако для волн с частотами около 0,1 Гц эффект способен оказаться намного сильнее.

В таких областях сигнал на некоторых частотах может усиливаться более чем в десять раз. По мнению исследователей, это означает, что при создании специально разработанных приборов подобные сигналы потенциально можно будет обнаруживать на Луне.

Учёные также проверили результаты численного моделирования с помощью полуаналитических моделей, основанных на разложении лунной структуры на гармонические компоненты и анализе соответствующих колебаний. Полученное совпадение оказалось достаточно хорошим и указывает на то, что усиление может быть связано со смешиванием различных гармонических мод колебаний Луны.

Таким образом, Луна может реагировать на проходящие гравитационные волны значительно сильнее, чем предполагалось в предыдущих исследованиях. Ключевым фактором, который ранее не учитывался в достаточной степени, оказалась неоднородность толщины лунной коры.

Если будущие исследования подтвердят результаты, размещение сейсмометров в определённых районах Луны может существенно повысить чувствительность к низкочастотным гравитационным волнам. Это позволит исследовать космические события, сигналы от которых пока остаются недоступными для существующих земных детекторов.

Исследователи подчёркивают, что речь пока не идёт о готовом лунном детекторе гравитационных волн. Предстоящая миссия «Чанъэ-7» станет важным этапом для получения реальных данных о сейсмической активности Луны, однако установленный на ней сейсмометр не обладает достаточной чувствительностью для непосредственного обнаружения гравитационных волн.

Тем не менее его данные помогут значительно улучшить модели внутреннего строения Луны. В дальнейшем это позволит более точно спланировать размещение следующих лунных сейсмометров и потенциальных обсерваторий гравитационных волн.

Китайские исследователи уже планируют продолжить работу. Они намерены теоретически смоделировать сигнал, который мог бы регистрировать сейсмометр «Чанъэ-7», а затем сравнить расчёты с реальными данными после начала работы прибора.

Даже если чувствительности «Чанъэ-7» будет недостаточно для обнаружения гравитационных волн, полученная информация позволит уточнить представления о внутреннем строении Луны и поможет определить, где в будущем лучше всего размещать более чувствительные приборы.

В перспективе Луна может стать не просто объектом изучения гравитационных волн, но и естественным усилителем этих чрезвычайно слабых сигналов. Если удастся создать достаточно чувствительные сейсмические системы и правильно выбрать места их размещения, лунные обсерватории смогут открыть для астрономов новый диапазон гравитационно-волновой Вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.