Logo
Logo

Гравитационные волны

1.1  4.00 Поместим два детектора в плоскости $xOy$: один в начале координат $O$, другой – на расстоянии $R$ от начала координат под углом $\theta$ к оси $Ox$. Найдите приближённое выражение для отклонения $D - R$ расстояния между детекторами от $R$ при прохождении гравитационной волны.

Ответ: \[D - R = R \left( \frac{1}{2} A \cos{2 \theta} \right) \sin{\omega x}.\]
1.2  3.00 Поместим решётку детекторов на окружности радиуса $R$ с центром в точке $O$ в плоскости $xOy$. При прохождении гравитационной волны пространственные координаты могут быть переопределены как $(X,Y)$ так, что расстояние между точками $(X,Y)$ и $(X+dX,Y+dY)$ будет равно $\sqrt{(dX)^2 + (dY)^2}$. Найдите форму решётки детекторов в новой системе координат в момент времени $t$.

Ответ: \[\frac{X^{2}}{\left[R\left(1+\frac{1}{2} A \sin \omega x\right)\right]^2}+\frac{Y^{2}}{\left[R\left(1-\frac{1}{2} A \sin \omega x\right)\right]^2}=1.\]
1.3  6.00 Если в положительном направлении оси $Oz$ распространяются одновременно две гравитационные волны вида:$$f_1 = A \sin{\left[ \omega \left( t - \frac{z}{c} \right) \right]},\, f_2 = 0$$и$$f_1 = A \sin{\left[ \omega \left( t - \frac{z}{c} \right) + \varphi \right]},\, f_2 = 0,\, 0 \leq \varphi < 2 \pi.$$Каким условиям должны удовлетворять $\omega$ и $\varphi$, чтобы амплитуда колебаний расстояния между датчиком в начале координат $O$ и в точке $(R \cos{\theta}, R \sin{\theta})$ была максимальной? Минимальной?

Ответ: Амплитуда максимальна при $\omega = \frac{\left( 2k+1 \right) \pi}{4},\ \varphi = \left( 2k + 1 \right) \pi,\ k \in \mathbb{Z}$ и минимальна при $\omega = \frac{k \pi}{2},\ \varphi = 2k \pi,\ k \in \mathbb{Z}.$
2  7.00 Предположим, что источником гравитационных волн является двойная звезда. Массы компонентов равны $M$, за начало координат $O$ возьмём центр масс системы. Если компоненты вращаются в плоскости $xOy$, то $f_1$ и $f_2$ можно записать как$$f_{1}=\frac{8 \pi G}{c^{4}} \frac{2}{l} \frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{~d} t^{2}}\left[I_{1}\left(T-\frac{l}{c}\right)\right],\,f_{2}=\frac{8 \pi G}{c^{4}} \frac{2}{l} \frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{~d} t^{2}}\left[I_{2}\left(T-\frac{l}{c}\right)\right],$$где $G$ – гравитационная постоянная, а $l$ – расстояние вдоль оси $Oz$ от начала координат $O$ до точки обнаружения гравитационной волны (много больше расстояния между компонентами), и $I_{1}(t)=\left[x_{1}^{\prime 2}(t)+x_{2}^{\prime 2}(t)\right] M, \, I_{2}(t)=x_{1}^{\prime}(t) y_{2}^{\prime}(t) M$. Найдите амплитуды $f_1$ и $f_2$ в точке обнаружения, если частота гравитационной волны равна $\omega$. Для расчёта параметров орбиты двойной звезды можно использовать Ньютонову механику.

Ответ: \[f_1 = \frac{16 \pi}{l c^4} \omega^{2/3} \left( GM \right)^{5/3},\ f_2 = \frac{8 \pi}{l c^4} \omega^{2/3} \left( GM \right)^{5/3}.\]