Лекция 5 Гравитационные волны.

Эксперимент LIGO.

А.Б. Струминский

ИКИ РАН, МФТИ

Уважаемые коллеги, Ближайший семинар ОСА имени

Я.Б.Зельдовича состоится 29 сентября 2017 в конференц-зале ГАИШ МГУ в 14:00

Повестка дня: 1. Липунов В.М.Новости: LIGO/VIRGO GW170814 Cлияние

черных дыр, зарегистрированное тремя детекторами Hanford, Livingston(USA), Pisa (Italy) гравитационно-

волновых обсерваторий LIGO/VIRGO Accepted to PRL

Слияние двух дыр

https://www.svoboda.org/a/28762545.html

GW170814

• — гравитационно-волновой всплеск, обнаруженный гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и Virgo 14 августа 2017 года в 10:30:43 (UTC). Об обнаружении сигнала было объявлено 27 сентября 2017 года.

• Это четвёртое обнаружение гравитационных волн и первое обнаружение тремя детекторами, площадь «подозреваемой области» на небесной сфере уменьшилась с 1160 до 60 кв. градусов.

• Слияние двух чёрных дыр, масса которых составляет около 31 и 25 солнечных масс (M☉), и это произошло на расстоянии 1,8 млрд световых лет от Земли. В результате слияния образовалась черная дыра массой 53 M☉, а количество энергии, унесённой гравитационной волнами, составляет примерно три массы Солнца.

• Официальная пресс-конференция 16 октября 2017, 17-00 МСК. Какие еще могут быть новости?

Сергей Попов (ГАИШ МГУ)

• “Эксперимент по фиксации гравитационных волн – совершенно запредельной сложности именно в реализации. То есть достигнута очень большая точность, и в этом смысле ее смогли достичь, когда было сделано очень много высокотехнологичных разработок, связанных с чем угодно, от поддержания вакуума в этих четырехкилометровых тоннелях, до устройства зеркал, их подвесов, как эти зеркала напыляли... Потому что если там чуть-чуть не так напылить, то шумы не дадут обнаружить сигнал, что-то не так прикрутить – тоже все это будет происходить.

• Детекторы гравитационных волн – одно из современных чудес света, наряду с БАК и Международной космической станцией. Семь чудес света тоже были в первую очередь технологическими достижениями".

https://www.svoboda.org/a/28762545.html

Предсказание гравитационных волн Эйнштейном

• Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. Эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света.

• При прохождении гравитационной волны между двумя свободно падающими телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны.

• Любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны (исключения — вращение идеально симметричного тела вокруг оси симметрии, центральносимметричное сжатие и расширение шарообразного тела).

• Однако гравитация — очень слабое взаимодействие, поэтому амплитуда этих волн чрезвычайно мала. Так, стальная колонна массой 10000 тонн, вращающаяся на пределе прочности стали — 10 оборотов в секунду — будет излучать в гравитационных волнах примерно 10−24 Вт.

• Прямые попытки детектирования гравитационных волн берут начало в экспериментах Джозефа Вебера конца 1960-х годов.

Детектирование гравитационных волн

• Заявление об их открытии Вебером в конце 1969 года, впоследствии, к 1972 году, опровергнутое научным сообществом, вызвало серьёзный интерес к этой проблеме.

• Долгое время основным вариантом детекторов гравитационных волн были резонансные детекторы Вебера, которые постепенно улучшались на протяжении десятилетий.

• Принцип действия такого детектора состоит в том, что гравитационная волна, проходя через большую, порядка метров, твёрдую, обычно алюминиевую болванку — сжимает и расширяет её, и таким образом возбуждает в ней колебания — болванка начинает «звенеть» как колокол, что можно зафиксировать

• При обращении двойных звёзд относительно центра масс они излучают гравитационные волны, теряя энергию, размеры орбит сокращаются и период обращения уменьшается. Уменьшение периода обращения со временем в точном согласии с расчётами по общей теории относительности и было зафиксировано в 1974 году при наблюдении пульсара.

PSR B1913+16 • пульсар, представляющий

собой двойную звёздную систему, состоящую из звёзд, примерно одинаковых по массе, около 1,4 M☉. Обнаружен Расселом Халсом и Джозефом Тейлором в 1974 году, при проведении наблюдений на радиотелескопе обсерватории Аресибо; они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году с формулировкой «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации».

Первый пульсар был открыт в августе 1967 года Джоселин Белл, аспиранткой Энтони Хьюиша, на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета, на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию.

Открытие двойного пульсара, Р.А. Халс

Двойные пульсары и релятивистская гравитация, Дж. Тейлор

PSR J0737−3039

• — двойная звёздная система, оба компонента которой — пульсары. Была открыта в 2003 году и является первым известным двойным пульсаром.

Новое поколение детекторов

• Детекторы с использованием интерферометра Майкельсона, позволяющего с большой точностью измерять изменения оптического пути света между зеркалами каждого плеча интерферометра.

• При этом проблему выхода на оптимальный уровень чувствительности только для очень длинных плеч — сотни километров — удалось решить введением в каждое плечо детектирования резонаторов Фабри — Перо, умножающих длину пробега лучей и позволивших укоротить плечи.

• Наиболее чувствительными построенными детекторами были установки коллабораций LIGO (два интерферометра с плечами по 4 км) и VIRGO (один интерферометр с плечами по 3 км), которые договорились о совместной обработке данных со своих детекторов.

LIGO

• Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.

• Проект был предложен в 1992 году

• Две обсерватории: в Ливингстоне (штат Луизиана)[ и в Хэнфорде (штат Вашингтон), удалённых друг от друга на 3002 километра.

Скорость распространения гравитационных волн равна скорости света, поэтому есть разница в 10 миллисекунд во времени сигнала, которая позволит определить направление на источник зарегистрированного сигнала.

LIGO • Основной элемент каждой обсерватории — Г-

образная система, состоящая из двух четырёхкилометровых плеч с высоким вакуумом внутри.

• Внутри такой системы устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона.

• В каждом из плеч установлены дополнительные зеркала из кварцевого стекла, которые образуют резонаторы Фабри-Перо.

• Эти зеркала на особом подвесе являются пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе.

• Луч лазера вначале проходит через одностороннее зеркало, которое пропускает луч от лазера и отражает луч, возвращающийся из интерферометра, таким образом являясь рециркулятором мощности и позволяя вместо 750-киловаттного лазера использовать 200-ваттный.

• Затем луч входит в интерферометр и разделяется светоделителем на два луча, каждый из которых направляется в соответствующее плечо интерферометра и проходит резонатор Фабри-Перо около 280 раз, многократно отражаясь в конце и начале плеча, что значительно повышает чувствительность интерферометра.

• Затем лучи из двух плеч складываются в фотодетекторе, и разность хода между ними вызывает изменение тока в детекторе.

GW150914 • Форма сигнала совпадает

с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36(+5−4) и 29(+4−4) солнечных.

• Возникшая чёрная дыра имеет массу 62+4−4 массы Солнца, излучённая энергия — 3(+0,5−0,5) солнечных масс.

GW151226

• Гравитационно-волновой всплеск, обнаруженный LIGO 26 декабря 2015 года UT.

• 15 июня 2016 года обсерватории LIGO и Virgo сообщили, что они верифицировали сигнал.

• Слияние двух чёрных дыр с массами 14,2(+8,3−3,7 )и 7,5(+2,3−2,3) M☉ на 440 (+180−190) мегапарсек от Земли.

• Результатом слияния стала чёрная дыра массой 20,8(+6,1−1,7) M☉, и при этом масса, равная 1(+0,1−0,2) M☉, превратилась в гравитационное излучение.

• В излучение перешло приблизительно 4,6% от исходной массы двух чёрных дыр.

• Франко-итальянский детектор гравитационных волн, в EGO (Европейская гравитационная обсерватория) вблизи Пизаы).

• Чтобы достичь необходимой высокой чувствительности, для Virgo были разработаны уникальные высокомощные ультрастабильные лазеры, зеркала со сверхвысоким коэффициентом отражения, сейсмические изоляторы и контроллеры положения и направления.

• В оптической части Virgo используется один из самых стабильных когда-либо построенных лазеров (2009).

• Для производства зеркал с коэффициентом отражения свыше 99,999 % и нанометровой точностью формы была построена специальная фабрика оптических покрытий.

• Изоляция оптических частей интерферометра от сейсмических шумов обеспечивается десятиметровыми в высоту многоступенчатыми маятниковыми системами. Внутренняя часть интерферометра вакуумирована до давления 10^-10 миллибара, чтобы исключить шумы, возникающие в воздухе.

• Эта часть включает в себя две трубы длиной по 3 километра и диаметром 1,2 метра, и таким образом является самой большой по объёму вакуумной установкой в Европе (6800 м³) и третьей по размеру в мире (после интерферометров LIGO).

• Трубы покоятся на 20-метровых бетонных элементах, которые поддерживаются примерно тысячей бетонных свай, углубленных на 20—50 метров для достижения слоёв, не подверженных поверхностной вибрации. Для достижения столь низкого давления трубы были изготовлены по специальной технологии, включающей десорбцию водорода из металла труб; кроме того, перед каждым циклом работы интерферометра для удаления водяного пара трубы прогреваются до 150 °С в течение нескольких суток

• Основной частью детектора является лазерный интерферометр Майкельсона, каждое плечо которого имеет длину 3 километра. Переотражения сигнала на концах плеч увеличивают их эффективную длину до 120 километров. Диапазон чувствительности Virgo — от 10 до 6 000 Герц, в оптимуме точность измерений достигает 10^-22.

• Ширина диапазона в совокупности с высокой чувствительностью детектора позволяет надеяться зафиксировать с его помощью гравитационное излучение от взрывов сверхновых и слияний двойных систем в нашей Галактике и во многих близких к ней, например, из всего скопления Девы.

БНО ИЯИ РАН

• Основными направления научных исследований являются:

• физика элементарных частиц, физика высоких энергий, космология;

• нейтринная астрофизика, нейтринная и гамма - астрономия, физика космических лучей, проблема Солнечных нейтрино;

• разработка и создание нейтринных телескопов в низкофоновых подземных лабораториях для исследования природных потоков нейтрино и других элементарных частиц;

• двойной бета-распад; • поиск темной материи; • геофизические исследования:

сейсмология и гравитация

ОГРАН (оптико-акустическая гравитационная антенна)

В ожидании волн и частиц

https://www.youtube.com/watch?v=WrqoXa1kA1o

Три физика в поисках грааля, каждый — своего. Один надеется обнаружить гравитационные волны, другой — аксионы, третий ищет магнитные монополи. Каждая из этих волн и частиц предсказана теоретиками, но существует ли она в природе в действительности, никто не знает наверняка.

Литература

• Липунов В М "Астрофизический смысл открытия гравитационных волн" УФН 186 1011–1022 (2016)

• Брагинский В Б, Биленко И А, Вятчанин С П, Городецкий М Л, Митрофанов В П, Прохоров Л Г, Стрыгин С Е, Халили Ф Я "Дорога к открытию гравитационных волн" УФН 186 968–974 (2016)