Метод генерирования гравитационных волн посредством системы стоячих электромагнитных волн

Аннотация

Рассмотрен метод генерирования гравитационных волн посредством системы стоячих электромагнитных волн на разностной частоте в электромагнитных резонаторах и их дальнейшей регистрации на основе различных типов детекторов. В качестве фактора амплификации амплитуды гравитационных волн, индуцированных предложенным способом, рассмотрена обратная зависимость их амплитуды от квадрата разностной частоты. Это является следствием уравнений Эйнштейна для изученной конфигурации электромагнитных полей в резонаторе. Сопоставлены характеристики гравитационных волн, связанных с электромагнитным полем внутри резонатора, и гравитационных волн в пустом пространстве. Исследована возможность проведения эксперимента по генерированию и детектированию гравитационных волн с контролируемыми параметрами источника и детектора (опыта Герца) на основе предложенного метода. Рассмотрены различные типы существующих и перспективных детекторов низкочастотных гравитационных волн и получена оценка характеристик источника, которые необходимы для успешного детектирования гравитационных волн, генерируемых посредством указанного метода. Эффективность предложенного подхода сопоставлена с другими методами генерирования гравитационных волн. Отмечена специфика рассмотренного метода генерирования гравитационных волн, связанная с возможностью получения в лабораторных условиях низкочастотных гравитационных волн с частотой, близкой к частоте гравитационных волн астрофизических источников, и амплитудой, существенно превышающей амплитуду высокочастотных гравитационных волн, которые можно генерировать на основе ранее предложенных методов

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (проект РНФ № 19-12-00242 "Конверсия электромагнитных и гравитационных волн в нелинейной диэлектрической среде при облучении интенсивным источником света")

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Морозов А.Н., Фомин И.В., Гладышев В.О. и др. Метод генерирования гравитационных волн посредством системы стоячих электромагнитных волн. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 6 (105), с. 90--105. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-6-90-105

Литература

[1] Maggiore M. Gravitational waves. Vol. 1. Theory and experiments. Oxford, Oxford Univ. Press, 2007.

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

[3] 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

[4] Abbott B.P., Abbott P., Abbott T.D., et al. Gravitational waves and gamma-rays from a binary neutron star merger: GW170817 and GRB170817A. ApJL, 2017, vol. 848, art. L13. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa920c

[5] Герценштейн М.Е., Пустовойт В.И. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот. ЖЭТФ, 1962, т. 43, № 2, c. 605--607.

[6] Kadlecova H., Klimo O., Weber S., et al. Gravitational wave generation by interaction of high power lasers with matter using shock waves. Eur. Phys. J. D, 2017, vol. 71, no. 4, art. 89. DOI: https://doi.org/10.1140/epjd/e2017-70586-y

[7] Fomin I.V., Gladyshev V.O., Gorelik V.S., et al. Laboratory sources of gravitational waves. J. Phys.: Conf. Ser., 2020, vol. 1705, art. 012004. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1705/1/012004

[8] Грищук Л.П., Сажин М.В. Излучение гравитационных волн электромагнитным резонатором. ЖЭТФ, 1973, т. 65, № 2, c. 441--454.

[9] Грищук Л.П., Сажин М.В. Возбуждение и детектирование стоячих гравитационных волн. ЖЭТФ, 1975, т. 68, c. 1569--1582.

[10] Денисов В.И. Гравитационное поле внутри сферического электромагнитного резонатора. Вестник Московского университета. Сер. Физика. Астрономия, 1977, т. 18, № 5, с. 52--57.

[11] Герценштейн М.Е. Волновой резонанс световых и гравитационных волн. ЖЭТФ, 1962, т. 14, № 1, с. 113--114.

[12] Зельдович Я.Б. Электромагнитные и гравитационные волны в постоянном магнитном поле. ЖЭТФ, 1973, т. 65, с. 1311--1315.

[13] Kolosnitsyn N.I., Rudenko V.N. Gravitational Hertz experiment with electromagnetic radiation in a strong magnetic field. Phys. Scr., 2015, vol. 90, no. 7, art. 074059. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-8949/90/7/074059

[14] Gorelik V.S., Pustovoit V.I., Gladyshev V.O., et al. Generation and detection of high frequency gravitational waves at intensive electromagnetic excitation. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1051, art. 012001. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1051/1/012001

[15] Pustovoit V.I., Gladyshev V.O., Kauts V.L., et al. High frequency gravitational waves generation by optical methods. J. Phys.: Conf. Ser., 2020, vol. 1557, art. 012034. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1557/1/012034

[16] Морозов А.Н., Пустовойт В.И. Генерация и регистрация связанных высокочастотных гравитационных волн. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2020, № 1 (88), c. 46--60. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2020-1-46-60

[17] Морозов А.Н., Пустовойт В.И., Фомин И.В. О гравитационных волнах, связанных с электромагнитными волнами. Пространство, время и фундаментальные взаимодействия, 2020, № 2, c. 53--63.

[18] Morozov A.N., Pustovoit V.I., Fomin I.V. Bound gravitational waves in a dielectric medium and a constant magnetic field. Eur. Phys. J. Plus, 2020, vol. 135, no. 12, art. 950. DOI: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00961-0

[19] Morozov A.N., Pustovoit V.I., Fomin I.V. Generation of gravitational waves by a standing electromagnetic wave. Gravit. Cosmol., 2021, vol. 27, no. 1, pp. 24--29. DOI: https://doi.org/10.1134/S020228932101014X

[20] Akutsu T., Ando M., Arai K., et al. KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector. Nature Astron., 2019, vol. 3, no. 1, pp. 35--40. DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-018-0658-y

[21] Maggiore M., Van den Broeck C., Bartolo N., et al. Science case for the Einstein telescope. JCAP, 2020, vol. 2020, art. 050. DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2020/03/050

[22] Ackley K., Adya V.B., Agrawal P., et al. Neutron star extreme matter observatory: a kilohertz-band gravitational-wave detector in the global network. Publ. Astron. Soc. Austral., 2020, vol. 37, art. 047. DOI: https://doi.org/10.1017/pasa.2020.39

[23] Peng H., Torr D.G. The electric field induced by a gravitational wave in a superconductor: a principle for a new gravitational wave antenna. Gen. Relat. Gravit., 1990, vol. 22, no. 1, pp. 53--59. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00769245

[24] Vinet J.Y. Elasto-optical detection of gravitational waves. Annales de l’I.H.P. Physique Theorique, 1979, vol. 30, no. 3, pp. 251--262.

[25] Sabin C., Bruschi D.E., Ahmadi M., et al. Phonon creation by gravitational waves. New J. Phys., 2014, vol. 16, art. 085003. DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/8/085003

[26] Bagnoud V., Blazevic A., Borneis S., et al. PHELIX: a petawatt-class laser recently commissioned for experiments in plasma and atomic physics. J. Phys.: Conf. Ser., 2009, vol. 194, art. 152028. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/194/15/152028

[27] Коржиманов А.В., Гоносков А.А., Хазанов Е.А. и др. Горизонты петаваттных лазерных комплексов. УФН, 2011, т. 181, № 1, c. 9--32. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNe.0181.201101c.0009

[28] Lageyre P., D’Humieres E., Ribeyre X. Gravitational influence of high power laser pulses. Phys. Rev. D, 2021, vol. 105, iss. 10, art. 104052. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.104052

[29] Sprangle P., Hafizi B., Ting A., et al. High-power fiber lasers for directed-energy applications. Appl. Opt., 2015, vol. 54, iss. 31, pp. F201--F209. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.54.00F201