Регистрация реликтовых гравитационных волн с помощью низкочастотного оптического резонанса

Аннотация

Обсуждается возможность существования высокочастотных гравитационных волн реликтового происхождения, для регистрации которых необходима разработка специализированных гравитационных антенн. Для этого предложено применять лазерные гравитационные антенны, основанные на явлении низкочастотного оптического резонанса. Выполнен расчет чувствительности интерферометра Фабри --- Перо, использующего явление низкочастотного оптического резонанса. Получены формулы, описывающие прошедшее интерферометр Фабри --- Перо излучение и спектральную плотность отклика на воздействие гравитационной волны. Показана возможность регистрации реликтовых гравитационных волн в высокочастотной части спектра и выполнена оценка предельной чувствительности лазерной гравитационной антенны. Установлено, что основным фактором, ограничивающим чувствительность лазерной гравитационной антенны, является фотонный шум. Для уменьшения вклада фотонного шума предложено существенно снизить мощность прошедшего интерферометр Фабри --- Перо лазерного излучения, что удается достичь при использовании низкочастотного оптического резонанса. Проведена оценка необходимой мощности прошедшего интерферометр излучения для достижения предельной чувствительности лазерной гравитационной антенны. Выполненное математическое моделирование подтвердило наличие низкочастотного оптического резонанса в высокочастотной части спектра излучения, прошедшего интерферометр Фабри --- Перо. Установлено, что в области высоких частот резонансный отклик на 2 порядка превышает нерезонансное воздействие на интерферометр Фабри --- Перо

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 19-29-11015 мк "Разработка макета комплекса для отработки процесса получения и обработки информации с комплекса лазерных интерференционных гравитационных антенн наземного и космического базирования")

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Голяк Ил.С., Морозов А.Н., Фомин И.В. Регистрация реликтовых гравитационных волн с помощью низкочастотного оптического резонанса. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 2 (101), с. 57--67. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-2-57-67

Литература

[1] Abbott B.P., Abbott P., Abbott T.D., et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Phys. Rev. Lett., 2016, vol. 116, iss. 6, art. 061102. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102

[2] Abbott B.P., Abbott P., Abbott T.D., et al. Gravitational waves and gamma-rays from a binary neutron star merger: GW170817 and GRB 170817A. ApJL., 2017, vol. 848, no. 2, art. L13. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa920c

[3] Пустовойт В.И. О непосредственном обнаружении гравитационных волн. УФН, 2016, т. 186, № 9, с. 1133--1152.

[4] Boyle L.A., Buonanno A. Relating gravitational wave constraints from primordial nucleosynthesis, pulsar timing, laser interferometers, and the CMB: implications for the early Universe. Phys. Rev. D, 2008, vol. 78, no. 4, art. 043531. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.78.043531

[5] Фомин И.В., Червон С.В., Морозов А.Н. Гравитационные волны ранней вселенной. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018.

[6] Giovannini M. Primordial backgrounds of relic gravitons. Prog. Part. Nucl. Phys., 2020, vol. 112, art. 103774. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2020.103774

[7] Ahmad S., Myrzakulov R., Sami M. Relic gravitational waves from quintessential inflation. Phys. Rev. D, 2017, vol. 96, iss. 6, art. 063515. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.063515

[8] Ito A., Soda J. MHz gravitational waves from short-term anisotropic inflation. J. Cosmol. Astropart. Phys., 2016, vol. 2016, art. 035. DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2016/04/035

[9] Adshead P., Giblin J.T., Pieroni M., et al. Constraining axion inflation with gravitational waves from preheating. Phys. Rev. D, 2020, vol. 101, iss. 8, art. 083534. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.083534

[10] Gangopadhyay M.R., Myrzakul S., Sami M., et al. Paradigm of warm quintessential inflation and production of relic gravity waves. Phys. Rev. D, 2021, vol. 103, iss. 4, art. 043505. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.103.043505

[11] Брагинский В.Б., Менский М.Б. Высокочастотное детектирование гравитационных волн. Письма в ЖЭТФ, 1971, т. 13, № 11, с. 585--587.

[12] Li F.-Y., Tang M.-X., Shi D.-P. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models. Phys. Rev. D, 2003, vol. 67, iss. 10, art. 104008. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.67.104008

[13] Blaut A. Angular and frequency response of the gravitational wave interferometers in the metric theories of gravity. Phys. Rev. D, 2012, vol. 85, iss. 4, art. 043005. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.85.043005

[14] Arvanitaki A.G., Andrew A. Detecting high-frequency gravitational waves with optically levitated sensors. Phys. Rev. Lett., 2013, vol. 110, iss. 7, art 071105. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.071105

[15] Гладышев В.О., Морозов А.Н. Низкочастотный оптический резонанс в многолучевом интерферометре Фабри --- Перо. Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, № 14, с. 39--42.

[16] Морозов А.Н. Необратимые процессы и броуновское движение. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.

[17] Есаков А.А., Морозов А.Н., Табалин С.Е. и др. Применение низкочастотного оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Сер. Естественные науки, 2015, № 1 (58), с. 26--35. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2015-1-26-35

[18] Голяк И.С., Морозов А.Н., Назолин А.Л. и др. Разработка информационно-измерительного комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн. Радиостроение, 2020, № 3, с. 35--49. DOI: https://doi.org/10.36027/rdeng.0320.0000172

[19] Голяк И.С., Морозов А.Н., Назолин А.Л. и др. Информационно-измерительный комплекс для регистрации высокочастотных гравитационных волн. Радиостроение, 2020, № 5, с. 42--51. DOI: https://doi.org/10.36027/rdeng.0520.0000184