Содержание
Как LIGO может увидеть гравитационные волны, если в ОТО свет растягивается вместе с пространством? / Хабр
Как же LIGO может регистрировать гравитационные волны, если они растягивают свет вместе с пространством между зеркалами?
Image credit: www.ligo.caltech.edu
Этот вопрос непременно возникает, когда заходит разговор о детектировании гравитационных волн (ГВ). Обычно аргумент приводят такой: мы знаем, что есть гравитационное красное смещение, т.е. гравитация растягивает длины волн. Разумно предположить, что в LIGO свет тоже будет растягиваться, и длины волн, которые мы используем как «линейку» для измерения расстояния между зеркалами, растянутся в той же мере, что и само расстояние. Как же можно тогда пользоваться интерферометром для измерения гравитационных волн?
Представим возможные ответы на него:
- ГВ не влияют на свет, так что вопрос не имеет смысла.
- ГВ растягивают длину волны света, но очень слабо, так что мы не замечаем.
- Это не имеет значения, принцип детектирования не чувствителен к длине волны.
- Детекторы на самом деле и не работают.
1. А был ли мальчик?
Начнем с того, что детекторы все же работают.
Кладбище звезд: известные нам массы нейтронных звезд и черных дыр, включая наблюдения LIGO. Image credit: www.ligo.caltech.edu
На настоящий момент мы видели больше десятка событий с ГВ. Самое убедительное — совместное детектирование ГВ и вспышки света от слияния нейтронных звезд. В LIGO увидели ГВ, триангулировали область на небе, откуда они приходят, и сказали телескопам: «Ищите там!». Те посмотрели, и увидели вспышку килоновой именно там, где указали из LIGO. Так что сомнений в том, что оно работает, особо нет. Давайте разберемся, как именно.
2. Что вообще такое LIGO?
Детектор Virgo — европейский детектор, один из трех детекторов, которые видели гравитационные волны.
Image credit: www.ligo.caltech.edu
Гравитационная волна, возникнув при слиянии массивных объектов (например, двух черных дыр), распространяется в пространстве-времени как малое возмущение его кривизны. Это приводит к тому, что расстояния между объектами слегка меняются, когда волна проходит через них (точнее, само определение расстояния изменяется). В LIGO два плеча интерферометра Майкельсона длиной в 4км изменяются на ~10-18м, и детектор способен уловить это изменение. Важный момент: если ГВ растягивает одно плечо интерферометра, второе плечо будет сжато пропорционально (в идеале; это следует из квадрупольной природы ГВ и наличия у них двух поляризаций).
На Хабре уже есть хорошая статья про устройство LIGO, так что перейдем собственно к ответу на вопрос, поставленный в начале статьи.
3. Концепция измерений
Анимация, которая демонстрирует принцип работы детектора
Для начала рассмотрим пример, который поможет понять основной принцип работы детектора.
Настоящий детектор работает с непрерывным светом — лазер все время накачивает резонаторы в LIGO светом, а фотодиоды постоянно регистрируют наличие/отсутствие сигнала. Но для примера упростим схему: пусть у нас есть источник фотонов, который одновременно посылает фотоны в двух направлениях, там они отражаются от зеркал, и возвращаются на детектор фотонов (в нашем случае делитель луча), как показано на иллюстрации ниже.
Если два зеркала находятся на равном расстоянии от источника фотонов, два фотона вернутся на детектор одновременно (как на рисунке выше). Если ГВ растягивает одно плечо на , и сжимает другое на , то один фотон придет раньше другого на c, как на рисунке выше. Это очень мало, конечно, и было бы невозможно измерить напрямую, но мы и измеряем несколько иначе. Я хотел просто продемонстрировать главный посыл этого поста:
Детектор — не линейка, а часы
4. Подробное объяснение
Рассмотрим теперь интерферометр Майкельсона, в который светят непрерывным лазером, луч делится поровну на делителе луча, отражается от конечных зеркал и, возвращаясь обратно на делитель луча, интерферирует.
Для простоты предположим, что ГВ представляет собой «ступеньку» — моментально изменяет метрику на малую величину . Под словами «изменение метрики» мы имеем в виду, что определение расстояния несколько изменяется, т.е. все расстояния возрастают (или уменьшаются) в раз. Если мы рассмотрим расстояние между делителем луча и конечным зеркалом , при изменении метрики оно возрастет на , так что .
Замечание: важно, что представление ГВ «ступенькой» только полезно для рассмотрения на пальцах, в реальности необходимо рассматривать ГВ как волну с определенной длиной.
Рассмотрим, что происходит со светом в этот момент.
В момент прихода ГВ длина волны света растягивается относительно изначальной длины волны (полупрозрачные кривые). NB: длина волны показана сравнимой с длиной плеча для наглядности, на самом деле длина волны лазера около 1 микрона, а длина плеча — 4 км.
Если у зеркала до растяжения находился узел стоячей волны, он там же и останется после растяжения, как показано на картинке выше.
Почему? Этого требует теория относительности: так как не существует выделенной независимой системы покоя, узлу ничего не остается делать, как оставаться там же, где он был относительно поверхности зеркала. То есть, длина волны увеличивается в раз, как и предполагалось в начале статьи по аналогии с гравитационным красным смещением.
Так получается, что все же свет растянулся вместе с детектором, и мы не можем зарегистрировать сигнал?
И таки можем!
Покажем это на картинке выше: проследим путь конкретного узла в растянутой волне на пути туда и обратно, отметив его кружком. Несмотря на растяжение, свет все еще распространяется со скоростью света. А это значит, что для только что вошедшей в плечо части волны потребуется больше времени, чтобы преодолеть путь туда-обратно (вспомним тут пункт 3 из статьи). То есть, ее фаза по прибытию изменится (как можно видеть на картинке).
Более того, свет продолжает накачивать свет с нерастянутой длиной волны.
Фаза, набранная светом на пути от делителя к зеркалу и обратно, зависит от собственной частоты света , наблюдаемой на делителе луча, и времени :
Можно показать (напр.
тут или тут), что если длина волны ГВ гораздо больше длины плеча интерферометра, собственная частота практически не меняется. А время задержки будет зависеть от расстояния между зеркалами:
Соответственно, по приходу на делитель луча, фаза света будет обладать задержкой, зависящей от величины метрики . В другом плече все будет происходить так же с точностью до знака перед — ведь это плечо будет не растягиваться, а сжиматься. В итоге на делителе луча разность фаз между двумя плечами будет
Из этого уравнения, кстати, очевидно, почему у детектора такое длинное плечо — чем больше длина L по сравнению с длиной волны, тем чувствительнее детектор. Детекторы следующего поколения, типа Einstein Telescope или Cosmic Explorer, будут еще длиннее — от 10 до 40 км.
Замечу, что в реальности ГВ не бывает «ступенькой», это волна с длиной волны много больше длины плеча, так что за время, пока один «узел» световой волны проходит туда-обратно, растяжением его можно пренебречь.
Поэтому первый момент «растяжения» света из рассмотрения «на пальцах» на самом деле фактически отсутствует.
Итак, вывод. Правильный ответ на вопрос в начале статьи: и 2 и 3 — гравитационные волны действуют на свет несколько иначе, нежели на расстояние между зеркалами, но это не имеет значения, так как в любом случае мы измеряем не длину волны, а задержку по фазе. Иными словами,
гравитационно-волновой детектор работает как часы, а не как линейка.
5. Заключение
Важно подчеркнуть, что гравитационная волна влияет на длину волны света иначе, нежели на расстояние между зеркалами. Связано это в первую очередь с тем, что период ГВ много больше времени, которое занимает у света на путь туда-обратно. Плечо интерферометра продолжает растягиваться со временем, следуя периоду ГВ, а свет все время поступает «новый» из лазера.
Кроме того, в реальном детекторе есть дополнительные зеркала, создающие несколько резонаторов, которые эффективно увеличивают длину плеча.
Однако, это не влияет на основную идею.
Так что мы действительно можем наблюдать гравитационные волны, и никакой конспирологии!
Image credit: www.ligo.caltech.edu
6. Новости LIGO
В качестве постскриптума, немного о том, что происходит в LIGO сейчас. Второй цикл наблюдений О2 принес не только наблюдение слияния нейтронных звезд и первое совместное наблюдение ГВ тремя детекторами, включая Virgo, но и множество других событий. В самом ближайшем будущем результаты анализа данных будут опубликованы, а сами данные станут открытыми и доступными для анализа.
LIGO сейчас заканчивает многочисленные обновления, среди которых установка сжатого света и более мощный лазер, что увеличит чувствительность детектора в несколько раз и позволит наблюдать гораздо больше событий (при хорошем раскладе — по событию в неделю).
В начале следующего года начнется новый цикл наблюдений О3.
Литература
[1] P.
Saulson «If light waves are stretched by gravitational waves, how can we use light as a ruler to detect gravitational waves?».
[2] V. Faraoni, A common misconception about LIGO detectors of gravitational waves, Gen. Relativ. Gravit. 39, 677 (2007).
[3] L. S. Finn, Response of interferometric gravitational wave detectors, Phys. Rev. D 79, 022002 (2009).
[4] S. A. Hughes, Gravitational Waves from Merging Compact Binaries, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 47, 107 (2009).
LIGO – лазерная обсерватория – интерферометр гравитационных волн
Чтобы получить полезную информацию о ранней Вселенной, необходимы прямые наблюдения гравитационных волн. В 2003 году первый действующий детектор гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерная обсерватория – интерферометр гравитационных волн) наконец был запущен, реализовав тем самым давнюю мечту раскрыть тайны Вселенной посредством гравитационных волн. Целью детектора LIGO является регистрация космических событий, которые происходят слишком далеко или имеют слишком маленькие масштабы, чтобы их можно было наблюдать при помощи наземных телескопов.
Это, например, такие события, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд.
Обсерватория LIGO состоит из двух гигантских лазерных установок, одна из которых расположена в Хэнфорде (штат Вашингтон), а другая – в Ливингстоне (штат Луизиана). Каждая из установок снабжена двумя трубами по 4 км длиной каждая, которые образуют гигантскую букву L. Внутри каждой трубы включается лазер. В углу буквы L оба лазерных луча сталкиваются, и происходит интерференция их волн. Обычно в отсутствие каких-либо возмущений две волны синхронизируются и взаимоуничтожаются. Но если в устройство попадает даже малейшая гравиволна, образовавшаяся при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, то одно плечо уменьшается или увеличивается иным образом, нежели второе. Такого возмущения достаточно, чтобы разрушить хрупкий баланс двух лазерных лучей – они не взаимоуничтожаются, а создают характерную картину интерференции волн, которую можно подвергнуть детальному компьютерному анализу. Чем больше гравитационная волна, тем больше несовпадение между двумя лазерными лучами и тем больше интерференция.
Обсерватория LIGO являет собой чудо техники. Поскольку молекулы воздуха могут поглощать свет лазеров, трубку, по которой проходит свет, вакуумируют до давления в одну триллионную часть атмосферы. Каждый детектор занимает около 8,4 м? пространства, что означает, что в обсерватории LIGO находится самый большой объем искусственного вакуума в мире. Особая чувствительность LIGO объясняется, в частности, конструкцией зеркал, управляемых крошечными магнитами размером с муравья, которых всего шесть. Зеркала так отполированы, что точность их составляет до одной тридцатимиллиардной доли дюйма. «Представьте, что Земля была бы настолько гладкой. Тогда средняя гора возвышалась бы не более чем на дюйм (около 2,5 см)»{169}, – говорит Гарилинн Биллингсли, в обязанности которой входит контроль зеркал. Конструкция этих зеркал настолько тонка, что их можно сдвигать менее чем на микрон, что делает их, вероятно, самыми чувствительными зеркалами в мире. «У большинства инженеров, занимающихся системами контроля и управления, просто отвисает челюсть, когда они слышат о том, что мы пытаемся сделать»{170}, – утверждает Майкл Цукер, ученый, принимающий участие в проекте LIGO.
Поскольку детектор LIGO столь тонко сбалансирован, иногда его работе мешают крошечные вибрации, идущие от самых нежелательных источников. К примеру, установку LIGO в Луизиане нельзя запускать днем из-за лесорубов, которые валят деревья в полукилометре от детектора. (Детектор LIGO настолько чувствителен, что его нельзя было бы запускать в течение дня даже в том случае, если рубка леса проходила бы на расстоянии полутора километров.) Даже ночью вибрации, источником которых являются товарные составы, проходящие в полночь и в шесть часов утра, ограничивают продолжительность непрерывной работы детектора LIGO.
Даже столь слабое явление, как волны, бьющие о берег на расстоянии нескольких километров от установки, может повлиять на результаты. Волны океана бьют о берег Северной Америки в среднем каждые шесть секунд, создавая низкий гул, который может быть зафиксирован лазерами. Частота этого шума настолько низка, что он, в сущности, может распространяться прямо сквозь землю. «Это похоже на рокот, – так комментирует этот шум Цукер.
– В сезон ураганов в Луизиане это становится просто кошмаром»{171}. Кроме того, на детектор LIGO оказывают влияние приливы, создаваемые гравитацией Луны и Земли, что создает возмущение в несколько миллионных долей дюйма.
Для того чтобы исключить эти невероятно малые возмущения, инженеры детектора LIGO предприняли чрезвычайные меры для обеспечения изоляции установки. Каждая лазерная система покоится на вершине четырех огромных платформ из нержавеющей стали, расположенных одна поверх другой; каждый уровень разделен рессорами для погашения всех вибраций. Каждый оптический инструмент снабжен собственной системой сейсмической изоляции; цементный пол 75 см толщиной не соединен со стенами{172}.
Детектор LIGO представляет собой часть интернационального консорциума, в который также входят французско-итальянский детектор под названием VIRGO в Пизе (Италия), японский детектор TAMA, расположенный за пределами Токио, а также британско-немецкий детектор GEO600 в Ганновере (Германия). В целом общая стоимость постройки детектора LIGO обойдется в 292 млн долларов (плюс 80 млн долларов на пуско-наладочные работы и модернизацию), что делает его самым дорогим проектом из когда-либо финансировавшихся Национальным научным фондом{173}.
Однако, даже несмотря на такую чувствительность детектора, многие ученые признают, что LIGO, возможно, не обладает достаточной чувствительностью для улавливания действительно интересных событий за время своей работы. Следующая модернизация установки, LIGO II, намечается в 2007 году (при условии получения финансирования). Если детектор LIGO не уловит гравитационных волн, то смело можно ставить на то, что это получится у LIGO II. Кеннет Либбрехт, ученый, принимающий участие в проекте LIGO, заявляет, что LIGO II увеличит чувствительность оборудования в тысячу раз: «Вы переходите от [улавливания] одного события раз в 10 лет, что довольно мучительно, к одному событию в три дня, что уже приятно»{174}[39].
Чтобы детектор LIGO уловил сигнал от столкновения двух черных дыр (на расстоянии до 300 млн световых лет), ученым пришлось бы ждать от года до тысячи лет. Многие астрономы, возможно, сомневаются в целесообразности изучения подобных событий при помощи детектора LIGO, если это означает, что свидетелями этого события станут их пра-пра-пра… правнуки.
Но как выразился один из участников проекта LIGO Питер Солсон: «Людям нравится решать эти технически сложные задачи подобно тому, как строители средневековых соборов продолжали свою работу, зная, что они, возможно, не увидят оконченной церкви. Но если бы не существовало такой большой вероятности увидеть гравитационные волны в течение моей жизни, то я бы не работал в этой области. Это не просто нобелевская лихорадка… Характерным отличием нашей работы является степень точности, к которой мы стремимся; если вы работаете таким образом, то вы двигаетесь в правильном направлении»{175}. Вероятность обнаружения поистине интересного события в течение нашей жизни будет намного выше при использовании детектора LIGO II, который, возможно, обнаружит сталкивающиеся черные дыры на расстояниях до 6 млрд световых лет с частотой от десятка в день до десятка в год{176}.
Однако даже детектор LIGO II не будет обладать достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационных волн, испускаемых в момент его создания.
Для этого нам придется подождать еще 15–20 лет до запуска космической лазерной антенны-интерферометра LISA[40].
О компании | Лаборатория ЛИГО | Калифорнийский технологический институт
Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) была разработана, чтобы открыть область гравитационно-волновой астрофизики посредством прямого обнаружения гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна. Многокилометровые детекторы гравитационных волн LIGO используют лазерную интерферометрию для измерения мельчайших пульсаций пространства-времени, вызванных прохождением гравитационных волн от катастрофических космических событий, таких как столкновение нейтронных звезд, черных дыр или сверхновых. LIGO состоит из двух широко разнесенных интерферометров в Соединенных Штатах — одного в Хэнфорде, штат Вашингтон, и другого в Ливингстоне, штат Луизиана, — которые работают синхронно для обнаружения гравитационных волн.
LIGO — это национальная лаборатория по исследованию гравитационных волн, предоставляющая возможность более широкому научному сообществу участвовать в разработке детекторов, наблюдениях и анализе данных. Первоначальный инструмент LIGO, в значительной степени «доказательство концепции», модель, получившая название «Initial LIGO», участвовала в «научных наблюдениях» с 2002 по 2010 год. В то время не было сделано никаких обнаружений, но в результате чего был достигнут огромный прогресс в разработке детекторов. был изучен во время этого начального запуска. 2010 год ознаменовал завершение первоначального проекта LIGO, и, как и планировалось, в период с 2010 по 2014 год оба интерферометра были полностью переработаны, чтобы включить в них гораздо более сложные инженерные решения. Этот проект «Advanced LIGO» успешно улучшил возможности детекторов, и в течение 9Через 0005 дней после включения новых и усовершенствованных инструментов LIGO впервые обнаружила гравитационные волны, генерируемые парой сталкивающихся черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет.
С того исторического дня инженеры LIGO продолжали улучшать чувствительность детекторов. Об успехе этих улучшений свидетельствуют многие другие обнаружения гравитационных волн, которые были сделаны с тех пор. В конечном счете, с дальнейшим усовершенствованием и модернизацией детекторы Advanced LIGO достигнут чувствительности, в 10 раз превышающей чувствительность исходного LIGO, что позволит увеличить диапазон наблюдений LIGO в 1000 раз.
Проектирование и строительство LIGO выполнялись группой ученых, инженеров и сотрудников Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) и Массачусетского технологического института (MIT), а также сотрудниками из более чем 80 научных учреждений по всему миру. которые являются членами научной коллаборации LIGO.
В обязанности лаборатории LIGO, включающей Caltech, MIT, LIGO Hanford и LIGO Livingston, входит работа с детекторами LIGO, исследования и разработки, направленные на дальнейшее улучшение возможностей детекторов LIGO, исследования в области фундаментальной физики гравитации, астрономии и астрофизика, а также общественное образование и информационно-разъяснительная работа.
LIGO финансируется Национальным научным фондом США и управляется Калифорнийским технологическим институтом (Caltech) и Массачусетским технологическим институтом (MIT).
Нажмите на ссылки слева или ниже, чтобы узнать больше о LIGO.
- Миссия Какова научная миссия LIGO?
- Facts Откройте для себя некоторые интересные и забавные факты, связанные с LIGO
- Учреждения Узнайте больше о двух детекторах LIGO и ее университетских исследовательских центрах
- Временная шкала Временная шкала LIGO
- Новости Блог Читайте о том, что происходит в лаборатории LIGO.
- Часто задаваемые вопросы Ответы на некоторые распространенные вопросы о LIGO
- Для СМИ Контакты для СМИ, ссылки на пресс-кит, информационные бюллетени, галереи изображений и видео
LSC — Научное сотрудничество LIGO
за 2022 г.
LIGO, Virgo и KAGRA публикуют новые результаты поиска гравитационных волн от рентгеновских пульсаров
за 2021 г.
за март 2021 г.
за 2020 г.
«Взрыв» в детекторах LIGO и Virgo сигнализирует о самом массивном источнике гравитационных волн.
LIGO-Virgo находит загадочный объект в «массовом разрыве»
за март 2020 г.
Сеть LIGO-Virgo зафиксировала еще одно столкновение нейтронных звезд
за 2019 г.
LIGO и Virgo обнаружили столкновение нейтронных звезд
LIGO и Virgo возобновляют поиск ряби в пространстве и времени
LIGO и Virgo выпускают каталог гравитационно-волновых событий из первого и второго сеансов наблюдений.
.
за март 2018 г.
LIGO и Virgo впервые обнаружили гравитационные волны, создаваемые сталкивающимися нейтронными звездами
LIGO и Virgo впервые обнаружили слияние черных дыр
.
.
LIGO обнаружил третье подтвержденное слияние бинарных черных дыр
за март 2017 г.
LIGO объявляет о втором подтвержденном обнаружении гравитационных волн
