Ligo детектор: Зеркало гравитационной обсерватории LIGO полностью обездвижили — Наука

Интерферометр LIGO

Интерферометр LIGO, Хэнфорд

LIGO – коллаборация, которая возникла вокруг эксперимента по поиску гравитационных волн. Основным инструментом коллаборации LIGO является одноименный инструмент – интерферометр LIGO, что расшифровывается как «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Коллаборация объединяет в себе группу исследователей из 40 научно-исследовательских учреждений всего мира, а также еще 600 отдельных ученых, которые проводят анализ данных, полученных интерферометром. Примечательно, что в проекте принимают участие и две российские группы: академика РАН Александра Сергеева (с 2015 г. Профессор ННГУ), и профессора МГУ Валерия Митрофанова.

Содержание:

• 1 История создания
• 2 Материалы по теме
• 3 Цели и задачи LIGO
• 4 Устройство интерферометра LIGO
• 5 Открытие гравитационных волн
• 6 Параметры события и дальнейшая судьба LIGO

История создания

Материалы по теме

Впервые о гравитационных волнах говорил Альберт Эйнштейн в 1916-м году, в свой работе по общей теории относительности (ОТО). Однако на тот момент человечество не имело достаточное технологическое развитие, чтобы организовать эксперимент по поиску гравитационных волн. В 1990-х при наблюдении за пульсаром PSR B1913+16, представляющим собой систему двух звезд, ученые обнаружили, что орбитальный период обращения этих звезд сокращается на 76 мкс в год. Данная величина точно предсказывается решением уравнений ОТО для звезд, теряющих энергию на гравитационное излучение. Таким образом результаты исследования стали положительным аргументом в пользу существования гравитационных волн, а американские физики Рассел Алан Халс и Джозеф Тейлор младший получили нобелевскую премию в 1993-м году.

Годом ранее три доктора физики предложили проект по разработке интерферометра с целью поиска гравитационных волн: американец Кип Торн (известный общественности также по должности научного консультанта и исполнительного продюсера кинокартины «Интерстеллар»), шотландец Рональд Древер и американец Райнер Вайсс (специалисты в области лазеров).

Рональд Древер, Кип Торн, Райнер Вайсс — основатели проекта LIGO

Разработка проекта и осуществление проекта велась двадцать лет. В течение этого времени исследовались различные варианты конструкций интерферометров. Проект был профинансирован американским Национальным научным фондом, и обошелся в 365 миллионов долларов – самый дорогой проект, финансируемый данным фондом. Постройка интерферометра LIGO была завершена в 2002-м году и в августе того же года обсерватория начала наблюдение.

Цели и задачи LIGO

Основная задача коллаборации состояла в поиске гравитационных волн. Источником таких гравитационных колебаний могут быть двойные системы массивных тел. Например, нейтронные звезды, которые сталкиваются, либо обращаются вокруг друг друга по эллипсовидным орбитам, сверхновые, а также сталкивающиеся черные дыры. Также источниками гравитационных волн могут быть вспышки сверхновых вблизи пульсаров. Именно эти объекты и стали основными предметами наблюдения исследователей из коллаборации LIGO.

Излучение гравитационных волн при сближении черных дыр

Помимо самого поиска колебаний кривизны пространства-времени – гравитационных волн, результаты наблюдений обсерватории могут дать положительные знания в области космических струн или оценить величину спина гравитона – частицы-переносчика гравитационного взаимодействия.

Устройство интерферометра LIGO

Масштабы данной обсерватории можно сравнить с размером всего США, так как две основные составные интерферометра расположены на противоположных концах США, на расстоянии 3 002 км друг от друга. Первое здание обсерватории находится в городе Ливингстон (Луизиана), второе же – в городе Хэнфорд (штат Вашингтон). Сделано это по той причине, что два столь удаленных интерферометра способны уловить гравитационную волну (вероятно движущуюся со скоростью близкой к скорости света) с разницей всего в 10 миллисекунд. Однако такой разницы достаточно, чтобы определить положение источника относительно Земли, а также исключить всякого рода земные источники, если такие вообще возможны.

Расстояние от г. Хэнфорд (штат Вашингтон) до г. Ливингстон (Луизиана)

Конструкция каждой обсерватории интерферометра состоит, прежде всего, из Г-образной системы из двух четырехкилометровых трубок с высоким вакуумом внутри. Через эти трубы лазером пропускаются пучки электромагнитного излучения с определенной частотой (длиной волны). Далее в месте соединения труб эти пучки пересекаются, накладываются и образовывают заранее известную «интерференционную картину». В случае же, если гравитационная волна пройдет через данную конструкцию, благодаря таким образом искажению пространства-времени, длина одного плеча конструкции увеличится втрое, а другого – уменьшится втрое. Это приведет также к изменению интерференционной картины, что и станет индикатором гравитационной волны. Результаты такого наблюдения будут сравниваться с другой составной интерферометра LIGO для дальнейшего определения положения источника относительно Земли.

Модель устройства интерферометра LIGO

Открытие гравитационных волн

Над поиском гравитационных волн трудилась не только коллаборация LIGO, расположенная в СШа, но европейская коллаборация VIRGO. В распоряжении второй также имеется достаточно мощный детектор, хоть несколько меньший (каждое плечо интерферометра – 3 км). Для более эффективной обработки информации, получаемой с интерферометров, две данные коллаборации договорились о совместном анализе данных.

11 февраля 2016 года обе коллаборации объявили о прямом детектировании искомых гравитационных волн, которое произошло 14 сентября 2015 года. Данное событие было названо GW150914, что расшифруется как гравитационная волна (gravitational wave) + год, месяц и число регистрации события. Сигнал был зарегистрирован 14.09.2015 в 9:50 UTC, сперва детектором LIGO в Ливингстоне, а спустя всего 7 миллисекунд – детектором в Хэнфорде. Поступивший сигнал был дважды обработан программами, после чего, спустя три минуты, уведомление о сигнале пришло на почту итальянского постдока (советский аналог данной степени — «кандидат наук») по имени Марко Драго, который работает в институте гравитационной физики Общества Макса Планка, расположенного в Ганновере, Германия. Итальянец оповестил своего сотрудника, также постдока из Ганновера – Эндрю Лундгрена. Спустя 15 минут оба научных сотрудника позвонили непосредственно в центры управления экспериментом, расположенные в Ливингстоне и Хэнфорде. В 11:00 UTC Марко Драго разослал сообщения с уведомлением о получении сигнала по всей коллаборации LIGO.

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал.

Дальнейшая ручная обработка сигнала продлилась с 18-го сентября по 5-е октября. Вместе с этим был запущен поиск других индикаторов сигнала, так, например нейтринные всплески обнаружены не были, а вот коллаборация Fermi отметила слабую вспышку рентгеновского излучения, возможно связанную с событием.

Параметры события и дальнейшая судьба LIGO

Кратко говоря о событии GW150914, зарегистрированным интерферометром LIGO, можно сказать, что оно не только подтвердило существование гравитационных волн, но также стало долгожданным доказательством существования черных дыр. Дело в том, что источником излучения гравитационных волн были две черные дыры (на расстоянии 0,8 – 2 млрд св. лет от Земли), которые в результате столкновения объединились в одну, при этом объем выделенной энергии (перешедшей в гравитационное возмущение) равен трем массам Солнца. Длительность сигнала составила всего 0,2 секунды, однако столь мощное событие заметно выделилось на фоне различных шумов (соотношение сигнал-шум 24:1).

В результате открытия ученые коллаборации LIGO были удостоены премии под названием Breakthrough Prize, 1 млн долларов которой разделили основатели проекта (Кип Торн, Райнер Вайс и Рональд Дривер), а 2 млн долларов – 1012 соавторов открытия.

Кип Торн, Райнер Вайс и брат Рональда Дривера на вручении Breakthrough Prize

Коллаборация LIGO намерена продолжить исследование гравитационных волн, их параметров и особенностей. В ближайшее время планируется объединение LIGO с обсерваторией LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – еще одним интерферометром, направленным на обнаружение гравитационных волн на 4-5 порядков ниже, чем LIGO.

Ниже представлено видео о создании обсерватории LIGO и дальнейшей перспективы астрономических наблюдений при помощи подобных интерферометров.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 5787

Запись опубликована: 31.03.2017
Автор: Владимир Соловьев

Гравитационный детектор LIGO обнаружил второй случай столкновения двух нейтронных звезд

Новости

16 января 2020

—

dailytechinfo.org

Ученые, работающие в гравитационной обсерватории LIGO, объявили об очередном обнаружении гравитационных волн, вызванных столкновением пары нейтронных звезд. Это событие является вторым по счету, когда ученым удалось разобраться в параметрах искажений пространственно-временного континуума и определить с достаточной вероятностью вид вызвавшего их катаклизма указанного выше типа.

Отметим, что начиная с 2015 года, гравитационные волны были зарегистрированы всего несколько десятков раз. Их источниками являются сокрушительные столкновения космических объектов, которые выделяют такое количество энергии, которого достаточно для деформации «ткани» пространства-времени. Поскольку такие деформации распространяются в космосе подобно волнам, они через время достигают Земли и датчики типа LIGO и Virgo могут зарегистрировать их, измерить параметры гравитационных колебаний и определить местоположение их источника.

Большинство зарегистрированных «пакетов» гравитационных волн было порождено столкновениями и слиянием черных дыр. Но ученым уже доводилось регистрировать волны от столкновения нейтронной звезды и черной дыры, и столкновения двух нейтронных звезд. При этом, событие последнего типа уже было зарегистрировано во второй раз.

«Пакет» проходящих гравитационных волн был обнаружен в апреле 2019 года детектором LIGO в Ливингстоне в США. Отследив местоположение источника, ученые навели на это место телескопы обсерваторий с различных мест земного шара и исследовали это место космоса в оптическом, радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах. Второй детектор LIGO в Хенфорде в этот момент времени был в отключенном состоянии, а сигнал гравитационных волн был слишком слаб и находился ниже пределов возможности итальянского детектора Virgo.

К сожалению, последний сигнал от столкновения нейтронных звезд не сопровождался сигналами в других диапазонах, как большинство из других зарегистрированных сигналов. Тем не менее, заключенная в нем информация добавила достаточно многое к нашему пониманию природы гравитационных волн.

Необычность второго зарегистрированного столкновения нейтронных звезд заключается в массе получившейся в результате слияния большой нейтронной звезды. Она превышает массу Солнца в 3.4 раза, а все остальные нейтронные звезды, образовавшиеся в результате подобных случаев, имеют массу, не превышающую 2.9 солнечной массы.

«Во-первых, второе зарегистрированное событие, связанное с системой двух нейтронных звезд, позволило нам подтвердить событие, зарегистрированное в 2017 году» — рассказывает Джо ван ден Брэнд (Jo van den Brand), ведущий исследователь, — «Кроме этого, из наблюдений в обычных диапазонах нам было известно о 17 системах с двумя нейтронными звездами и приблизительные массы этих нейтронных звезд. Удивительно, что масса образовавшейся в результате слияния нейтронной звезды значительно больше средней ожидаемой величины, и нам еще предстоит разобраться, что послужило причиной такого несоответствия».

Поделиться

Отправить

Твитнуть

Отправить

Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:

– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,

– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,

– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,

– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.

Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.

Почему нужна атомная энергетика?

Что такое ЛИГО? | LIGO Lab

LIGO Ливингстон. Руки, которые вы видите, представляют собой бетонные конструкции, которые защищают вакуумные трубки, находящиеся внутри. Этот бетонный «корпус» защищает критически важные стальные вакуумные трубки от окружающей среды. (Caltech/MIT/LIGO Lab)

LIGO расшифровывается как «Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория». Это крупнейшая в мире гравитационно-волновая обсерватория и чудо точной инженерии. LIGO, состоящий из двух огромных лазерных интерферометров, расположенных на расстоянии 3000 километров друг от друга, использует физические свойства света и самого пространства для обнаружения и понимания происхождения гравитационных волн (ГВ).

LIGO (и другие подобные ему детекторы) не похожа ни на одну другую обсерваторию на Земле. Попросите кого-нибудь нарисовать обсерваторию, и, скорее всего, он нарисует сияющий белый купол телескопа на вершине горы. Как гравитационно-волновая обсерватория, LIGO не имеет ничего общего с этим, как ясно показывает аэрофотоснимок интерферометра Ливингстона LIGO справа.

Легендарный купол телескопа. 200-дюймовый телескоп Хейла в Паломарской обсерватории в северном округе Сан-Диего, Калифорния. (Тайлерфинволд/Викисклад)

LIGO — это больше, чем просто обсерватория. Это выдающийся физический эксперимент по масштабу и сложности некоторых мировых гигантских ускорителей частиц и ядерно-физических лабораторий. Хотя его миссия состоит в том, чтобы обнаруживать гравитационные волны, возникающие в результате некоторых из самых бурных и энергичных процессов во Вселенной, данные, которые собирает LIGO, могут иметь далеко идущие последствия для многих областей физики, включая гравитацию, теорию относительности, астрофизику, космологию, физику элементарных частиц и ядерную науку. физика.

Тем не менее, поскольку буква «О» в LIGO означает «обсерватория», ниже мы опишем, чем она отличается от обсерваторий, которые представляет себе большинство людей. Три вещи отличают LIGO от стереотипной астрономической обсерватории: LIGO слепой, он не круглый и не может указывать на конкретную часть неба, и редко один детектор делает открытие сам по себе.

LIGO слепой . В отличие от оптических или радиотелескопов, LIGO не видит электромагнитное излучение (например, видимый свет, радиоволны, микроволны). Это не обязательно, потому что гравитационные волны не часть электромагнитного спектра. Это совершенно другое явление (хотя в некоторых случаях мы ожидаем увидеть некоторую форму электромагнитного излучения, исходящего от источников ГВ). На самом деле электромагнитное излучение настолько неважно для LIGO, что компоненты его детектора полностью изолированы и защищены от внешнего мира.

Одна из «рук» LIGO Hanford. Стальная вакуумная трубка находится внутри бетонного ограждения, которое видно на изображении. «Средняя станция» (на полпути к концу рукава) едва видна на расстоянии 2 км. (Ким Фетроу/Imageworks)

Открытый сегмент вакуумной трубки LIGO Ливингстона. (Caltech/MIT/LIGO Lab)

LIGO не круглый и не может указывать на определенные места в пространстве. Поскольку LIGO не нужно собирать свет от звезд, он не должен быть круглым или иметь форму тарелки, как зеркала оптического телескопа или тарелки радиотелескопа, которым нужны такие структуры для фокусировки электромагнитного излучения на детекторе. Каждый детектор LIGO состоит из двух рукавов, каждый длиной 4 км (2,5 мили), состоящих из стальных вакуумных трубок шириной 1,2 м, расположенных в форме буквы «L» и покрытых бетонным укрытием шириной 10 футов и высотой 12 футов, которое защищает трубы из окружающей среды. LIGO также может обнаруживать гравитационные волны, исходящие с любого направления (даже снизу)!

Один детектор LIGO изначально не мог самостоятельно подтвердить наличие гравитационных волн. Первоначальное открытие гравитационных волн требовало, чтобы подобные сигналы поступали квазиодновременно в несколько детекторов. К счастью, GW150914 удовлетворил этому требованию, и теперь мы видели много сигналов, которые появились в двух детекторах LIGO, а также в итальянском детекторе Virgo. Теперь, когда мы лучше понимаем как наши источники сигналов, так и наши инструменты, некоторые обнаружения можно уверенно проводить с помощью значительного сигнала только с одного детектора — большой шаг вперед для нашей области. Однако, чтобы помочь электромагнитным наблюдателям найти возможный источник света, связанный с нашими обнаружениями, мы должен иметь несколько детекторов — в идеале 3 или более — для локализации сигнала в небе. Так было с сигналом первой двойной нейтронной звезды GW170817.

Двойные детекторы LIGO | LIGO Lab

Общее расположение интерферометров LIGO Hanford и LIGO Livingston. (Caltech/MIT/LIGO Lab)

Двойные детекторы

«Обсерватория» LIGO состоит из двух идентичных и широко разнесенных интерферометров, расположенных в малонаселенных отдаленных местах: LIGO Hanford на юго-востоке Вашингтона Государство в засушливой кустарниково-степной области, изрешеченной сотнями слоев древних лавовых потоков; и LIGO Livingston, на расстоянии 3002 км в огромном влажном сосновом лесу к востоку от Батон-Руж, штат Луизиана.

LIGO не случайно был разработан с двумя детекторами, расположенными так далеко друг от друга. Детекторы LIGO настолько чувствительны, что могут «чувствовать» мельчайшие вибрации на Земле от очень близких источников до источников, находящихся на расстоянии сотен или тысяч миль. Такие вещи, как землетрясения, акустический шум (например, грузовики, едущие по близлежащим дорогам, фермеры, вспахивающие поля, вещи, которые люди могут слышать и чувствовать) и даже внутренние лазерные флуктуации могут вызывать возмущения, которые могут маскировать или имитировать сигнал гравитационной волны в каждом интерферометре. Если бы приборы были расположены близко друг к другу, то они регистрировали бы одни и те же вибрации в одно и то же время — и от земных источников, и от гравитационных волн, и отличить вибрацию от гравитационной волны из местных шумов было бы почти невозможно.

Объекты, расположенные далеко друг от друга, однако, будут не ощущать одни и те же локальные вибрации, но они будут ощущать вибрацию гравитационных волн в (практически) одно и то же время. Сравнивая данные с обоих участков, ученые могут игнорировать вибрации, которые различаются между участками, и искать только идентичные сигналы, которые произошли в одно и то же время в обоих местах. Вот почему два или более детектора необходимы. Один действует как шумовой фильтр для другого, оставляя только сигналы от гравитационных волн. Без совместной работы таким образом, чтобы подтвердить обнаружение друг друга, гравитационные волны никогда не могли бы быть точно обнаружены с помощью интерферометра, такого как LIGO. Сотрудничество LIGO с VIRGO добавляет третий интерферометр, что значительно повышает уверенность в том, что обнаруженный сигнал реален.

Размер интерферометров (с плечами длиной 4 км (2,5 мили)) и чувствительность LIGO к вибрации представляли серьезные проблемы для разработчиков LIGO при выборе подходящего места для инструментов. Во-первых, осталось мало мест, где такая большая часть земли может быть посвящена масштабному научному эксперименту, требующему много пустого пространства вокруг него, и при этом иметь доступ к инфраструктуре, необходимой для его проведения.