Сегодня на специальной пресс-коференции ученые международной коллаборации LVC (LIGO) объявили о первом прямом детектировании гравитационных волн от слияния двух черных дыр с достоверностью 5.1?.
UPD Запись пресс-конференции — историческое видео теперь. Кстати, отлично объясняю, что к чему. Еще добавил в конец статьи больше ссылок на материалы.
Image Credit: Bohn, Throwe, Hebert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel (see www.black-holes.org/lensing)
14 сентября 2015 год в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (расположенные в США) одновременно наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914. Сигнал с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10-21. Сигнал соответствует предсказаниям Общей Теории Относительности (ОТО) для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечной.
Что еще интереснее, это открытие впервые позволяет с уверенностью сказать о существовании систем черных дыр, и характеризовать динамику системы черных дыр с позиций ОТО.
Результаты исследования опубликованы сегодня в Physical Review Letters.
С момента предсказания существования гравитационных волн Эйнштейном в 1916 году было предпринято множество попыток их наблюдения. С середины семидесятых велись работы над твердотельными детекторами (Вебер) – предполагалось, что массивные куски металла будут резонировать с гравитационными волнами, и изменение длины этих масс можно зарегистрировать достаточно чувствительными приборами. Однако это направление оказалось не перспективным – слишком большие шумы не позволяли достичь необходимой чувствительности. С 70х годов начали развиваться интерферометрические детекторы.
Гравитационная волна меняет расстояние между подвижными конечными зеркалами интерферометра, вследствие чего наблюдается изменение интерференционной картины на выходе детектора. Для увеличения чувствительности такого детектора к расстоянию между зеркалами плечи интерферометра достигают длины 4 км, оптическая мощность на зеркалах – 100 кВт, а сами зеркала массой в 40 кг закреплены на высокодобротных (Q~107) подвесах и снабжены дополнительной системой изоляции от сейсмических шумов.
В США расположено два одинаковых детектора на значительном расстоянии друг от друга, что позволяет производить независимое наблюдение, а затем коррелировать результаты для исключения локальных шумов и ложных сигналов. Кроме того, наличие двух (и более) детекторов помогает триангулировать сигнал для определения положения на небе.
Оба детектора в начале сентября 2015 года закончили многолетнюю процедуру обновления и находились в полностью рабочем состоянии на момент детектирования.
Сигнал, зарегистрированный детекторами совпадает с предсказаниями ОТО для слияния двух черных дыр. На протяжении 0.2 секунды две вращающиеся вокруг друг друга черные дыры сблизились из-за потери энергии вращения за счет гравитационного излучения и слились в одну черную дыру. Однако суммарная масса этой новой черной дыры оказалась на 3 солнечной массы меньше, чем сумма двух старых — энергия была излучена в гравитационных волнах.
Изначально две дыры находились чрезвычайно близко друг от друга – на расстоянии 350 км (при том что радиус Шварцшильда для них порядка 210 км). Расстояние (фотометрическое) до источника оценивается в 410 Мегапарсек.
Сигнал был задетектирован с очень высокой достоверностью: соотношением сигнал/шум 24 и достоверностью в 5.1? (соответствующей одному ложному сигналу в 203 000 лет).
Было проведено множество проверок как на ложный сигнал, так и намеренную инжекцию. Все они показали отрицательный результат.
Ученые продолжают исследовать событие, и вскоре будет представлено больше результатов как анализа данных, так и проверок ОТО. На этой странице можно найти подробную информацию о событии и прочие результаты исследования.
Сам гравитационно-волновой детектор будет усовершенстован и далее, что позволит детектировать больше событий. Ожидается увеличение чувствительности еще в несколько раз. В то же время детекторы Advanced VIRGO в Италии и KAGRA в Японии скоро начнут работу, а ученые уже планируют строительство новых детекторов для развития гравитационно-волновой астрономии: десятикилометровый Einstein Telescope в Европе и космический телескоп LISA с длиной плеч интерферометра в 5 миллионов километров.
В заключение добавлю пару ссылок и хороший фильм про LIGO.
UPD Запись пресс-конференции — историческое видео теперь. Кстати, отлично объясняю, что к чему. Еще добавил в конец статьи больше ссылок на материалы.
Image Credit: Bohn, Throwe, Hebert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel (see www.black-holes.org/lensing)
14 сентября 2015 год в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (расположенные в США) одновременно наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914. Сигнал с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10-21. Сигнал соответствует предсказаниям Общей Теории Относительности (ОТО) для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечной.
Что еще интереснее, это открытие впервые позволяет с уверенностью сказать о существовании систем черных дыр, и характеризовать динамику системы черных дыр с позиций ОТО.
Результаты исследования опубликованы сегодня в Physical Review Letters.
Как детектировали
С момента предсказания существования гравитационных волн Эйнштейном в 1916 году было предпринято множество попыток их наблюдения. С середины семидесятых велись работы над твердотельными детекторами (Вебер) – предполагалось, что массивные куски металла будут резонировать с гравитационными волнами, и изменение длины этих масс можно зарегистрировать достаточно чувствительными приборами. Однако это направление оказалось не перспективным – слишком большие шумы не позволяли достичь необходимой чувствительности. С 70х годов начали развиваться интерферометрические детекторы.
Гравитационная волна меняет расстояние между подвижными конечными зеркалами интерферометра, вследствие чего наблюдается изменение интерференционной картины на выходе детектора. Для увеличения чувствительности такого детектора к расстоянию между зеркалами плечи интерферометра достигают длины 4 км, оптическая мощность на зеркалах – 100 кВт, а сами зеркала массой в 40 кг закреплены на высокодобротных (Q~107) подвесах и снабжены дополнительной системой изоляции от сейсмических шумов.
В США расположено два одинаковых детектора на значительном расстоянии друг от друга, что позволяет производить независимое наблюдение, а затем коррелировать результаты для исключения локальных шумов и ложных сигналов. Кроме того, наличие двух (и более) детекторов помогает триангулировать сигнал для определения положения на небе.
Оба детектора в начале сентября 2015 года закончили многолетнюю процедуру обновления и находились в полностью рабочем состоянии на момент детектирования.
Что детектировали
Сигнал, зарегистрированный детекторами совпадает с предсказаниями ОТО для слияния двух черных дыр. На протяжении 0.2 секунды две вращающиеся вокруг друг друга черные дыры сблизились из-за потери энергии вращения за счет гравитационного излучения и слились в одну черную дыру. Однако суммарная масса этой новой черной дыры оказалась на 3 солнечной массы меньше, чем сумма двух старых — энергия была излучена в гравитационных волнах.
Симуляция слияния черных дыр
Изначально две дыры находились чрезвычайно близко друг от друга – на расстоянии 350 км (при том что радиус Шварцшильда для них порядка 210 км). Расстояние (фотометрическое) до источника оценивается в 410 Мегапарсек.
Сигнал был задетектирован с очень высокой достоверностью: соотношением сигнал/шум 24 и достоверностью в 5.1? (соответствующей одному ложному сигналу в 203 000 лет).
Было проведено множество проверок как на ложный сигнал, так и намеренную инжекцию. Все они показали отрицательный результат.
Что будет дальше?
Ученые продолжают исследовать событие, и вскоре будет представлено больше результатов как анализа данных, так и проверок ОТО. На этой странице можно найти подробную информацию о событии и прочие результаты исследования.
Сам гравитационно-волновой детектор будет усовершенстован и далее, что позволит детектировать больше событий. Ожидается увеличение чувствительности еще в несколько раз. В то же время детекторы Advanced VIRGO в Италии и KAGRA в Японии скоро начнут работу, а ученые уже планируют строительство новых детекторов для развития гравитационно-волновой астрономии: десятикилометровый Einstein Telescope в Европе и космический телескоп LISA с длиной плеч интерферометра в 5 миллионов километров.
В заключение добавлю пару ссылок и хороший фильм про LIGO.
AntonSor
А вот тут некоторые блоггеры спрашивают любопытную вещь: почему мы регистрируем гравитационные волны из других галактик, а, казалось бы, гравитационные волны от близко расположенных Солнца и Луны (хотя их притяжение достаточно сильное, чтобы вызвать приливы), нет? Не можем?
Foolleren
Потому что мощность этой волны была 3 солнечных массы*скорость света в квадрате/0,2 секунды плюс линейное затухание, а мощность гравитационных волн от юпитера оценивается в эквивалент лампочки Ильича .
wbnet
Тут возможно непонимание того, что сила тяжести/гравитация ощущается/используется всеми можно сказать повседневно и обыденно, а волны задетектить смогли с большим трудом. Честно говоря, я сам не похвастаюсь, что понимаю это )
Mad__Max
Линейное затухание это у амплитуды колебаний. Мощность вроде как должна так же квадратично затухать, как и любых других волн распространяющихся по 3х мерному пространству.
Так что эти 3 солнечных массы улетевшие в виде волн за 0.2 секунды (порядка 3x1048 Вт мощности) пройдя расстояние минимум в миллиард световых лет(не меньще 1025 метров), превращаются в миллиВаты энергии грав. волн в районе Земли.
Так что "лампочка Ильича"(десятки Вт?) это еще очень мощный источник на этом фоне (правда не знаю как правильно расстояние до источника в этом случае оценивать — т.к. мы фактически прямо внутри него находимся).
Тут проблема больше другая — у такого источника крайне низкая частота излучения ~1/(12x365x24x60x60) ~ 0.0000000026 Гц. А у современных детекторов максимум чувствительности приходится на зону 10-1000 Гц.
SunX
Плюс, как я понимаю, волны от Солнца, Юпитера, Луны, дяди Васи и пролетающих мимо инопланетян имеют очень низкую частоту и как следствие таким детектором их очень сложно (или невозможно) замерить.
Mad__Max
Да, они очень низкочастотные. Желательны совсем другие детекторы, а если даже в результатах текущих искать(можно, хотя чувствительность на несколько порядков ниже), то нужны другие подходы к обработке данных и очень большие объемы вычислений.
Например в распределенной вычислительной сети Einstein@Home на BOINC платформе подобными поисками занимаются: данные с тех же детекторов (LIGO, VIRGO, GEO 600), но ищут не разовые сверхмощные явления типа слияния черных дыр или нейтронных звезд друг с другом с частотами порядка 10 — 1000 Герц. А непрерывные низкочастотные волны от стабильных систем типа 2 нейтронных звезды, ЧД + нейтронная звезда, нейтронная звезда + белый карлик и т.д. с типовыми орбитальными периодами от минут до часов, т.е. с частотами от сотых до десятитысячных долей Герца. Сам сигнал в этом случае на много порядков слабее, но зато таких источников много, они намного ближе (в нашей собственной галактике таких с избытком хватает) и существуют/излучают в течении длительных периодов времени непрерывно.
От них не будет такого явного и красивого сигнала, а лишь очень слабая едва заметная модуляция шума. Которую на фоне этого шума можно вычленить если только просуммировать большое количество циклов — у шума мат. ожидание = 0, а реальный сигнал складывается/накапливается.
У тел солнечной системы частоты будет еще намного ниже, так что они прежде всего как раз по частоте не проходят — чтобы отследить модуляцию шума от такого медленно меняющегося сигнала, надо обработать данные хотя бы за десятки-сотни циклов. А например для системы Солнце-Юпитер (вроде бы это максимально мощный источник в нашей системе) хотя бы 10 циклов = 120 лет. В течении которых нужно собирать данные (желательно непрерывно), а потом весь этот накопленный объем данных перелопатить на предмет слабых медленных модуляций.
P.S.
Благодаря Einstein@Home в поиске непрерывных гравитационных волн (которые пока еще не открыты), можно принять участие лично — своим компьютером. А если очень сильно повезет(примерно как в лотерею выиграть) — то даже попасть в итоговую научную работу наряду с учеными-соавторами.