Детектор гравитационных волн принцип действия: детектор гравитационных волн нового поколения / Хабр |

Содержание

Детектор гравитационных волн Virgo • Игорь Иванов • Научная картинка дня на «Элементах» • Физика

Европейский гравитационно-волновой детектор Virgo (на фото) 1 августа официально включился в охоту за гравитационными волнами! Virgo и две установки американской гравитационно-волновой обсерватории LIGO теперь втроем прислушиваются к «звону Вселенной» — пространственно-временной дрожи, которую порождают грандиозные космические катаклизмы.

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном сто лет назад, их поиск начался полвека спустя, но триумфа пришлось ждать еще несколько десятилетий. Лишь в 2015 году детекторы LIGO, только-только прошедшие через кардинальную модернизацию, зафиксировали всплеск гравитационных волн, рожденных при слиянии двух тяжелых черных дыр в далекой галактике. Это событие, которое, несомненно, будет отмечено Нобелевской премией, — трижды открытие. Были открыты сами гравитационные волны; было обнаружено, что черные дыры с массой в 30 солнечных существуют и вполне распространены; и была напрямую проверена общая теория относительности в режиме сильной гравитации. И на всё это накладывается огромное воодушевление от того, что мы теперь можем изучать Вселенную еще одним способом — через гравитационные волны.

На сегодняшний момент LIGO зафиксировала уже три гравитационно-волновых всплеска. Однако настоящая гравитационно-волновая астрономия начнется только тогда, когда мы хотя бы приблизительно сможем определять, откуда в каждом конкретном случае к нам пришел гравитационно-волновой звон. Тогда можно будет сопоставить всплеск с оптическими, рентгеновскими и радиоволновыми изображениями этого участка неба и, в духе всесигнальной астрономии, изучить катаклизм с разных сторон. Только с двумя детекторами, как это было до сих пор, установить направление на источник нереально, а с тремя — уже можно. Именно поэтому Virgo, несмотря на его чуть худшую чувствительность, сыграет важную роль в задаче локализации источника нового всплеска.

Истории создания и работы Virgo и LIGO во многом схожи. Virgo — международная установка, один из научных мегапроектов Европы; над ней сейчас трудятся 280 физиков из 20 стран. Построенная в 1990-х годах, установка Virgo заработала в 2000-х, но при тогдашней чувствительности гравитационно-волновых всплесков так и не поймала. В 2011 году Virgo, так же как и LIGO, была закрыта на модернизацию, которая завершилась только в 2016 году. Обсерватория LIGO к тому времени уже вовсю работала. 30 ноября 2016 года на LIGO стартовал второй наблюдательный сеанс, Observation Run 2 (O2), и предполагалось, что Virgo как раз подключится на этом этапе (см. рис. 11 в нашей новости). Однако технические сложности, обнаружившиеся уже в процессе отладки и запуска, задержали начало работы. Выяснилось, к примеру, что тонкие кварцевые нити, на которых должны висеть 40-килограммовые зеркала, — неудовлетворительного качества (см. подробности в заметках European gravitational wave detector falters и Физики усомнились в готовности европейского детектора гравитационных волн). В качестве временной меры коллаборация решила заменить их на стальные, что слегка ухудшило чувствительность детектора.

Как бы то ни было, детектор Virgo заработал в этом году и в июне, еще в режиме отладки, впервые проработал несколько дней в связке с LIGO. Сейчас Virgo уже работает в полноценном режиме и пусть с запозданием, но участвует в наблюдательном сеансе O2. Чувствительность Virgo, впрочем, недотягивает до LIGO: дистанция, с которой Virgo «услышит» слияние двух нейтронных звезд, пока составляет 28 мегапарсек против 70 Мпк у LIGO. Статус установки, спектр шумов и прочие технические подробности в реальном времени можно отслеживать на странице Virgo Status. Сеанс O2 завершится 25 августа, но, как сообщает пресс-релиз Virgo, работа установки продлится еще некоторое время, для того чтобы набрать статистику шумов и тщательно изучить их источники. Весной 2018 года начнется новая кампания по повышению чувствительности, и предполагается, что Virgo полноценно включится в следующий сеанс наблюдений O3, который стартует будущей осенью.

Фото с сайта en.wikipedia.org.

Игорь Иванов

Новый детектор гравитационных волн поймал загадочные сигналы

Команда физиков во главе с Майклом Тобаром из Университета Западной Австралии в Перте обнародовала результаты эксперимента, который длился 153 дня. Ученые впервые применили новый настольный детектор гравитационных волн и зарегистрировали два загадочных сигнала, подобных которым раньше никто не фиксировал.

Как сообщает Science Alert, новый прибор заметно отличается от того оборудования, которое используется в других подобных наблюдениях. В частности, уже на протяжении нескольких лет поиском ранее неизвестных сигналов, так называемой космической ряби, занимается Лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн (LIGO).

Эта коллаборация использует гигантские детекторы, управляемые лазером, для поиска ряби в структуре пространства-времени. Шесть лет назад ей впервые удалось зафиксировать гравитационные волны, которые, как считается, исходят от столкновений черных дыр и нейтронных звезд в далекой Вселенной.

Однако в новом исследовании физики применили настольный детектор, принцип работы которого базируется на «куске звенящего кварца». Майл Тобар пояснил, что детектор был создан специально для поиска небольших гравитационных волн. Он состоит из диска, изготовленного из кристаллического кварца диаметром три сантиметра. Прибор оснащен резонансной камерой, которая подает электрический сигнал тогда, когда кусочек кварца начинает вибрировать на определенных частотах.

Авторы работы сравнивают свой детектор с гонгом, который звенит с определенной высотой звука. Они объясняют, что этот «гонг» звенит тогда, когда в него ударяет гравитационная волна. Звук зависит от ее длины. Кстати, считается, что по длине гравитационной волны можно определить ее возраст — чем она короче, тем старше.

Следовательно, самые короткие гравитационные волны, теоретически, могут исходить из далекого прошлого. Их источником могли быть какие-то события, произошедшие в космологический период, называемый инфляцией. Это сравнительно небольшой временной отрезок, наступивший вскоре после Большого взрыва. Есть мнение, что Вселенная прошла через период инфляции, в течение которого она экспоненциально расширялась.

Тобар и его команда проводили замеры на протяжении 153 дней. В результате настольный детектор зарегистрировал два загадочных сигнала, аналогов которым пока нет. Авторы работы считают, что им удалось поймать высокочастотные гравитационные волны, которые раньше никогда не регистрировались. Впрочем, они признают, что еще слишком рано делать конкретные выводы — следующий запуск детектора позволит сузить круг причин, по которым кварц резонирует.

«Замечательно уже то, что это событие показало: новый детектор крайне чувствителен и дает нам определенные результаты, — говорит Майкл Тобар. — Теперь мы должны точно определить, что означают эти результаты. Кроме того, своей работой мы впервые продемонстрировали, что настольные устройства могут использоваться в качестве высокочувствительных детекторов гравитационных волн».

По его словам, высокочастотные гравитационные волны гораздо труднее обнаружить, но их определенно стоит изучать, ведь более короткие высокочастотные волны могут раскрыть информацию о Большом взрыве и той Вселенной, какой она была в «начале времен».

Кроме того, встает вопрос об источниках таких волн. Астрофизики предполагают, что ими могли быть гипотетические объекты, такие как бозонные звезды и первичные черные дыры. Есть версия и о том, что эти волны могли быть созданы облаками темной материи — таинственной субстанции, существование которой на практике доказать пока не удалось.

Детекторы гравитационных волн

: как они работают Италия. Официально не подтверждено, но весьма вероятно, что люди, использующие детекторы гравитационных волн LIGO, объявят о первом прямом обнаружении гравитационной волны. Первое прямое обнаружение мельчайших искажений пространства-времени, движущихся со скоростью света, было впервые постулировано Альбертом Эйнштейном почти ровно 100 лет назад. Время Нобелевской премии.

Пора освежить в памяти основы гравитационных волн, если вы еще этого не сделали! В разделе Гравитационные волны и то, как они искажают пространство, я рассмотрел, что делают гравитационные волны . Теперь перейдем к следующему шагу: как мы можем измерить то, что они делают? Как работают детекторы гравитационных волн, такие как LIGO?

Вспомните, как гравитационная волна будет изменять расстояния между частицами, свободно плавающими в круглом образовании в пустом пространстве: Волна движется под прямым углом к экрану, к вам. Я сильно преувеличил изменения расстояния. Для реалистичной волны даже гигантское расстояние между Землей и Солнцем изменится лишь на долю диаметра атома водорода. Действительно крошечные изменения.

Как обнаружить что-то подобное?

Первые неудачные попытки обнаружить гравитационные волны в 1960-х годах пытались измерить, как они заставляют алюминиевые цилиндры звенеть, как очень мягкий колокольчик. (Трагическая история; Джо Вебер [1919-2000], физик-первопроходец, стоящий за этим, был уверен, что он обнаружил гравитационные волны таким способом; после тщательного анализа и попыток воспроизвести, сообщество пришло к единому мнению, что это не так.)

Впоследствии физики придумали альтернативную схему. Представьте, что вы заменяете черную точку в центре предыдущей анимации детектором, а крайнюю правую красную частицу — лазерным источником света. Теперь вы посылаете световые импульсы (обозначенные здесь быстрыми красными точками) от источника света к детектору; давайте сначала посмотрим на это с выключенной гравитационной волной:

Каждый раз, когда световой импульс достигает детектора, индикатор мигает желтым цветом. Импульсы отправляются регулярно, все они распространяются с одинаковой скоростью, поэтому они также достигают детектора через равные промежутки времени.

Если через эту систему пройдет гравитационная волна, опять же сзади и идущая к вам, расстояния изменятся. Давайте направим нашу камеру на детектор, чтобы он оставался там, где он есть. Изменение расстояния до источника света, а также изменение расстояния между световыми импульсами и некоторые изменения расстояния между световыми импульсами и детектором или источником происходят из-за гравитационной волны. Вот как это будет выглядеть (опять же, сильно преувеличено):

Следите за мигающей лампочкой, и вы увидите, что она уже не так регулярно мигает. Иногда свет мигает быстрее, иногда медленнее. Это эффект гравитационной волны. Эффект, с помощью которого мы можем надеяться обнаружить t гравитационную волну.

«Мы» в данном случае — это радиоастрономы, работающие над тем, что известно как массивы синхронизации пульсаров. Источниками регулярных импульсов являются пульсары, вращающиеся нейтронные звезды, проносящие радиолуч по нашим антеннам, как космический маяк. Детекторы — это радиотелескопы здесь, на Земле. Обнаружение совсем не простое. С одним пульсаром вам нужно будет отслеживать время прихода импульсов с точностью до нескольких миллиардных долей секунды в течение полугода и убедиться, что вас не обманывают различные другие источники временных вариаций. Пока что гравитационные волны таким образом не обнаружены, хотя радиоастрономы придерживаются этого.

Чтобы увидеть, как работают детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, нам нужно немного усложнить ситуацию.

Интерферометрические детекторы гравитационных волн: установка

Вот базовая установка: Два зеркала, приемник (или «детектор света»), источник света и то, что известно как светоделитель:

Свет посылается в детектор от (лазерного) источника света LS к светоделителю B, который, в соответствии со своим названием, направляет половину света на зеркало M1 и пропускает другую половину на зеркало M2. В точках M1 и M2, соответственно, свет отражается обратно к светоделителю. Там свет, поступающий от M1 (или M2), снова разделяется, причем половина направляется к детектору света LD, а другая половина возвращается в направлении источника света LS. Мы проигнорируем последнюю половину и предположим, ради нашего упрощенного объяснения, что весь свет, достигающий B от M1 или M2, идет на детектор света LD.

(Чтобы избежать путаницы, я всегда буду называть LD «детектором света» и использовать безоговорочное слово «детектор» для обозначения всей установки.)

Эта установка, кстати, называется интерферометром Майкельсона. Ниже мы увидим, почему это хорошая установка для детекторов гравитационных волн.

В дальнейшем будем предполагать, что зеркала и светоделитель, показанные как подвешенные, реагируют на гравитационную волну так же, как реагировали бы свободно плавающие частицы. Основные эффекты возникают между зеркалами и светоделителем в так называемых двух плечах детектора. Длина руки у современных детекторов огромна, достигает нескольких километров. Для сравнения, источник света и детектор света расположены очень близко к светоделителю; изменения расстояний между этими тремя не имеют значения.

Световые импульсы в детекторе гравитационных волн

Далее посмотрим, как световые импульсы проходят через этот детектор. Вот та же установка, вид сверху: источник света LS, два зеркала M1 и M2, светоделитель B и детектор света LD: все присутствует и учитывается.

Далее мы позволяем источнику света излучать световые импульсы. Для большей ясности я сделаю два искусственных и нереальных изменения. Я буду посылать в детектор красный и зеленый импульсы, представляющие свет, попадающий в горизонтальное и вертикальное плечо соответственно. На самом деле никакого различия нет, просто свет распределяется на светоделителе. Свет, идущий к M1, будет смещен немного влево, а свет, возвращающийся от M1, будет смещен вправо для большей ясности. То же самое и с М2. Это тоже отличается в реальном детекторе. Тем не менее, здесь появляются световые импульсы: свет начинается от источника света слева. Свет, который вышел из источника вместе, проходит вместе (поэтому зеленый и красный импульсы находятся рядом) до светоделителя. Затем светоделитель посылает зеленые импульсы в восходящем направлении и позволяет красным импульсам пройти к зеркалу справа. Все частицы, попадающие обратно в светоделитель после отражения от M1 или M2. У светоделителя они направлены на фотодетектор внизу.

В этой конфигурации горизонтальный рычаг немного длиннее вертикального. Красные частицы должны преодолеть некоторое дополнительное расстояние. Поэтому они приходят к детектору немного позже, и мы получаем чередующийся ритм: зеленый, красный, зеленый, красный, с равными расстояниями между ними. Это станет важным позже.

Вот диаграмма, своего рода регистрационная полоса, на которой показано время прихода красного и зеленого импульсов на фотодетектор (время измеряется в «анимационных кадрах»): Схема ясна: красные и зеленые импульсы приходят через равные промежутки , один за другим.

Включите гравитационную волну!

Далее включим нашу стандартную гравитационную волну (утрированно, проходящую сквозь экран на вас и т.д.). Вот результат: мы настроили камеру на светоделитель (поэтому на нашем изображении светоделитель не двигается). Мы игнорируем любые незначительные изменения расстояния между светоделителем и источником света/детектором света. Вместо этого мы сосредоточимся на зеркалах M1 и M2, которые изменяют свое расстояние от светоделителя, как мы и ожидали от более ранних анимаций.

Посмотрите, как импульсы поступают на наш детектор света: иногда красный и зеленый расположены почти на одинаковом расстоянии друг от друга, иногда близко друг к другу. Это вызвано гравитационной волной. Без волны у нас была строгая закономерность.

Вот соответствующая схема «регистрационной полосы». Вы можете видеть, что иногда световые импульсы каждого цвета расположены ближе друг к другу, а иногда — дальше друг от друга:

В то время, когда я отметил нарисованной от руки стрелкой, красные и зеленые импульсы приходят почти в унисон!

Картина заметно отличается от сценария без гравитационной волны. Обнаружьте это изменение в паттерне, и вы обнаружите гравитационную волну.

Бегущая интерференция

Если вы задавались вопросом, почему такие детекторы, как LIGO, называются интерферометрическими детекторами гравитационных волн, нам нужно немного больше подумать о волнах. Если нет, то позвольте мне просто заявить, что такие детекторы, как LIGO, используют волновые свойства света для измерения изменений скорости прихода импульсов, которые вы видели в последней анимации. Чтобы пропустить детали, смело переходите к последнему разделу: «…а теперь кое-что в тысячу раз более сложное».

Свет представляет собой волну с гребнями и впадинами, соответствующими максимумам и минимумам электрического и магнитного поля. Хотя анимации, которые я показал вам, отслеживают распространение световых импульсов, их также можно использовать для понимания того, что происходит со световой волной в интерферометре. Просто предположим, что каждая из движущихся красных и зеленых точек в детекторе отмечает положение гребня волны.

Частицы просто складываются. Возьмите 2 частицы и добавьте 2 частицы, и вы получите 4 частицы. А вот если складывать (сочетать, накладывать) волны, то зависит. Иногда одна волна плюс другая волна действительно представляют собой большую волну. Иногда это меньшая волна или вообще нет волны. А иногда это сложно.

Когда две волны идеально синхронизированы, гребни одной совпадают с гребнями другой, а впадины тоже совпадают, вы действительно получаете большую волну. На следующей диаграмме показано, в какое время различные части двух световых волн достигают детектора света и как они складываются. (Я поставил точку поверх каждого гребня; в конце концов, именно это точки и должны были обозначать.) Вверху зеленая волна, идеально совмещенная с красной волной (которая для ясности показана непосредственно ниже). зеленая волна). Добавьте две волны вверх, и вы получите (заметно более сильную) синюю волну на нижней панели.

Не так, если две волны максимально смещены, гребни каждой совпадают с впадинами другой. Гребень и впадина нейтрализуют друг друга. Сумма волны и максимально смещенной волны равной силы: нет волны вообще. Вот соответствующая диаграмма: Напомним, что это была именно установка для нашего детектора гравитационных волн в отсутствие гравитационных волн : красные и зеленые импульсы с равным интервалом; впадины одной волны идеально совпадают с гребнями другой. Результат: Нет света на фотодетекторе. (Для реалистичных детекторов гравитационных волн это почти правда.)

Когда через детектор проходит гравитационная волна, ситуация меняется. Вот соответствующий образец времени прихода гребня импульса/волны для анимации выше: Синий образец, который является суммой красного и зеленого, является сложным. Но это не прямая линия. На светоприемнике есть свет там, где раньше света не было, и причиной изменения является проходящая через него гравитационная волна.

В целом, это представляет собой (очень упрощенную) версию того, как работают детекторы гравитационных волн, такие как LIGO. Что бы ни сообщали ученые в этот четверг, оно основано на световых сигналах на выходе такого интерферометрического детектора.

А теперь кое-что в тысячу раз более сложное

Настоящие детекторы гравитационных волн, конечно же, намного сложнее. Я даже не начал говорить о множестве возмущений, которые ученые должны учитывать и подавлять, насколько это возможно. Как вы подвешиваете зеркала, чтобы (по крайней мере, для некоторых гравитационных волн) на них действительно воздействовали, как если бы они были свободно плавающими частицами? Как вы предотвращаете сейсмический шум, автомобили или поезда в более широком районе и т. Д., Чтобы ваши зеркала немного двигались (либо из-за вибрации, либо из-за их собственной гравитации)? А как насчет флуктуаций лазерного луча?

Охота за гравитационными волнами в основном связана с поиском шума и способов его подавления. Детекторы гравитационных волн LIGO и им подобные — очень сложные машины с сотнями цепей управления, тщательно продуманными подвесами зеркал, самыми стабильными лазерами, известными физике (и одними из самых мощных). Технология была предоставлена многочисленными группами со всего мира.