Модель системы автоматизированного проектирования (САПР) (а) и вид сверху (б) предлагаемого лунного сейсмометра. Верхняя масса и стойки изготовлены из алюминия, испытательная масса – из кварцевого стекла. Испытуемая масса подвешивается на одном кварцевом волокне с прикрепленными к нему тремя кубиками. Каждый куб имеет два зеркала, которые контролируют вертикальные и горизонтальные движения исследуемой массы. Золотые коробки представляют собой клетки квазимонолитного компонента (QMC), содержащие оптическую головку; клетки монтируются на макетной плате. Синие диски — это BOSEM. Движение зеркальных кубов представлено в наклонной системе координат, где r1,2,3 и z1,2,3 представляют собой смещение зеркального куба, а r1 — единичный вектор по x. Кроме того, вращение Rr1,2,3 без связи может обозначаться вертикальным движением z1,2,3. Фото: Science China Press
Команда, возглавляемая факультетом астрономии Пекинского педагогического университета, недавно предложила многообещающий план по обнаружению гравитационных волн (ГВ) путем размещения сейсмометров на поверхности Луны. Их исследование опубликовано в журнале Science China Physics, Mechanics & Astronomy.
Используя Луну в качестве резонансной массы в виде стержня Вебера, эксперимент извлекает выгоду из обнаружения гравитационных волн в децигерцах. Исследователи планируют построить на поверхности Луны комплекс небольших лазерных интерферометрических сейсмометров. Естественная резонансная частота Луны в диапазоне от 0,1 до 1 Гц позволяет обнаружить гравитационные волны, возникающие в результате значительных астрофизических событий, таких как слияния черных дыр промежуточной массы (ЧДД) и столкновения нейтронных звезд.
Установка сейсмометров позволит наблюдать изменения формы и положения Луны, вызванные прохождением децигерцевых ГВ. Этот диапазон частот заполняет пробел в спектре ГВ, охватываемый существующими детекторами, такими как наземные детекторы (LIGO и др.) и существующие антенны космического базирования (LISA и другие), которые демонстрируют пиковую чувствительность в несколько герц и миллигерц ( 10–3 Гц) соответственно.
Обрисован план эксперимента и стратегия его проведения. Чтобы отслеживать поступательные и вращательные движения Луны, команда планирует использовать сейсмометры, определяющие шесть степеней свободы (DOF). Все механические степени свободы слабо перекрестно связаны. Кроме того, предлагается двухступенчатая сенсорная система для наблюдения за Луной.
Для сейсмического смещения Луны будут использоваться интерферометрические датчики, а для низкочастотных и высокопостоянных смещений, таких как лунные землетрясения, будут использоваться оптический датчик и электромагнитный привод Бирмингема (BOSEM). Аппаратная конструкция вполне может достигать чувствительности 10–11 мк на квадратный корень герц. То есть для сигнала частотой 1 Гц предлагаемая конструкция может обнаружить минимальную вибрацию лунной геологии, составляющую 10−11 м.
Расположение массива также тщательно продумывается. Из-за отсутствия атмосферы на Луне наблюдаются значительные колебания температуры днем и ночью. Было обнаружено, что четыре холодные точки соответствуют стабильным низкотемпературным условиям. Однако выбор места зависит от будущей лунной миссии, которая позволит получить более точную информацию.
В предложение включено сокращение штата для решения задач миссии. Например, каждый сейсмометр имеет шесть фотодетекторов, но для измерения топографии местности необходимо только четыре. Схема развертывания пяти сейсмометров также тщательно разработана с учетом локальных деформаций лунной поверхности и способна экстраполировать данные о более крупных деформациях в окружающих регионах. В самом экстремальном сценарии только два широко разнесенных сейсмометра могут претендовать на обнаружение.
Однако впереди нас ждут проблемы. Подавляющего фонового теплового сейсмического шума избежать невозможно. Кроме того, сбор, хранение и обработка данных являются сложными задачами. Надежная и широкополосная связь между сейсмометрами и Землей будет иметь решающее значение. Несмотря на эти требования, ожидается, что текущие достижения и будущие решения позволят решить эти трудности.
В целом, предложение построить на Луне интерферометрическую сейсмометрическую решетку для обнаружения децигерцевых гравитационных волн (ГВ) может внести вклад в физические исследования ГВ и облегчить исследование таких явлений, как IMBH. Основываясь на уникальной среде и характеристиках Луны, она может улучшить наше понимание Вселенной и расширить область астрономии ГВ.
Информация от: Science China Press
