Проект ligo: Проект LIGO — очередная попытка ученых обнаружить гравитационные волны |

Содержание

В чем смысл проекта LIGO и как он связан с Нобелевской премией — Наука

Нобелевскую премию по физике 2017 года вручили трем американским физикам с формулировкой «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн». Райнер Вайсс занимался разработкой детекторов гравитационных волн, Кип Торн — один из главных теоретиков этой области, а Барри Бэриш — первый руководитель и основатель LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).

Вместе с редакцией научно-популярного портала «Чердак» разобрались, в чем суть проекта и почему наблюдать за гравитационными волнами — действительно непросто.

Как и многие другие истории в физике, рассказ о гравитационных волнах принято начинать с Альберта Эйнштейна. Именно он предположил, что массивные, движущиеся с ускорением тела, так возмущают ткань пространства-времени, что запускают гравитационные волны — то есть пространство вокруг этих объектов физически сжимается и разжимается, а затем эти колебания разбегаются по всей Вселенной (как разбегаются круги по воде от брошенного камня).

За десятки лет измерений поймать — то есть достоверно зафиксировать гравитационные волны — пытались многие физики, но впервые это получилось только 14 сентября 2015 года. Это было измерение на пределе доступной человечеству точности, возможно, самый тонкий эксперимент современной науки. Гравитационная волна, запущенная слиянием двух черных дыр в миллиарде с лишним световых лет от нас, была «поймана» гравитационными телескопами коллаборации LIGO. Событие циклопических, вселенских масштабов вызвало на Земле крошечный, еле заметный отзвук. Плечи гравитационных телескопов сжимались и разжимались на доли размеров атомов, что было зафиксировано с помощью сверхточной оптики.

После этого физики из LIGO взяли несколько месяцев на проверку результатов и только 11 февраля 2016 года рассказали миру о своем открытии — почти вековая охота за гравитационными волнами наконец закончилась удачей. После этого LIGO детектировал еще несколько гравитационных событий. Так, гравитационные волны от слияния других черных дыр приходили на Землю 25 декабря 2015 года, 4 января 2017 года и 14 августа 2017 года.

Предсказания гравитационных волн — это важная часть общей теории относительности (ОТО), а потому их экспериментальное обнаружение только подтверждает ее.

«Регистрация [гравитационных волн] — это мощнейшее подтверждение фундамента, на котором стоит наука. Люди уверены в общей теории относительности и уверенно с ней работают…», — считает ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН Борис Штерн.

По обещаниям физиков, точность гравитационных телескопов будет только повышаться, что позволит фиксировать еще больше гравитационных событий и разглядеть многие, в буквальном смысле невидимые вещи. Например, слияние тех же самых черных дыр не оставляет никаких следов в любых диапазонах электромагнитных волн и, соответственно, может быть зафиксировано только с помощью гравитационных телескопов.

Одни рассуждают о новой физике, другие ждут обнаружения реликтовых гравитационных волн, гуляющих по Вселенной с первых моментов ее создания.

«Теперь все астрофизики будут ждать открытия из тех эпох, когда рождалась наша Вселенная. Кроме гравитационных волн никакие сигналы оттуда не доходят», — пояснил заведующий лабораторией космического мониторинга ГАИШ МГУ, Владимир Липунов.

Сейчас физики очень ждут регистрации гравитационных волн от какого-нибудь другого события: например столкновения двух нейтронных звезд, которое должно быть видно и в других диапазонах. По слухам, в конце августа ученые зарегистрировали подобный сигнал от двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993 в 130 миллионах световых лет от Земли, но пока официального подтверждения этому нет.

Но и того, что уже было открыто, вполне достаточно для одного из самых быстрых вручений Нобелевской премии — после открытия ученые прождали ее меньше двух лет.

Михаил Петров

Полную версию материала читайте на сайте научно-популярного портала «Чердак»

Теги

Нобелевская премия — 2017

В Волгограде разработали биоразлагаемые губки для сбора разлившихся нефтепродуктов

Эти губки могут разложиться в почве всего за два-три месяца, они созданы на основе поверхностно модифицированного хитозана — природного полисахарида

Читать полностью

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: 5687

Запись опубликована: 31.03.2017
Автор: Владимир Соловьев

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.

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 более широкому научному сообществу возможность 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 того, что 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 гораздо более сложные инженерные решения. Этот проект «Advanced LIGO» успешно улучшил возможности детекторов, и в течение 9Через 0023 дня года после включения новых и улучшенных 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
Помещения 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.