Фемтометр — это 10-15 метра. Для наглядности, диаметр протона составляет примерно 1,7 фемтометра. 10-14 м/с2 — это одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле. И именно такую точность, минимум в пять раз выше изначально запланированной, показал технологический демонстратор гравитационного телескопа LISA Pathfinder.
Небольшое введение
LISA Pathfinder — это аппарат для проверки возможности очень точного измерения гравитационного воздействия на тестовые массы — два кубика из сплава золота и платины, висящие в пространстве. На кубики, в идеале действует только искривление пространства-времени гравитацией. Зонд вместе со всем оборудованием висит в космосе, не касаясь кубиков, компенсируя двигателями малой тяги давление солнечного ветра и прочие возмущения. Положение кубиков очень точно измеряет специальный лазерный интерферометр. Более подробно конструкция зонда с картинками описана тут.
Планы и результаты
Этот график показывает чувствительность в зависимости от частоты. Аналогия со звуком вполне корректна — сталкивающиеся объекты разной массы будут гравитационно «звучать» на разных частотах, какие-то выше, какие-то ниже. LPF Requirements — расчетные значения чувствительности для LISA Patfinder. LISA Requirements — требования к будущему гравитационному детектору LISA из трех зондов. Линия — одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле.
Уже первое включение 1 марта 2016 года вызвало большие и широкие улыбки на лицах ученых — LISA Pathfinder превзошла по чувствительности расчетные параметры!
В течение месяца зонд настраивали, убирая очевидные технические помехи, и чувствительность стала еще лучше, на высоких частотах оказавшись выше, чем это требуется для полноценного детектора:
Интересно, что за прошедшее время ученые и инженеры поняли источники помех, и оказалось, что, в зависимости от частоты, они вызваны тремя причинами:
В левой части, на низких частотах, мешает сама конструкция аппарата. Работают двигатели, электроника, даже от звездных датчиков, которые фактически являются цифровыми фотоаппаратами без тяжелых движущихся частей, все равно идет шум.
В средней части шум возникает от врезающихся в кубики отдельных молекул. Несмотря на то, что емкость с кубиками открыта в вакуум и давление там практически равно нулю, отдельные молекулы воздуха с Земли еще не успели вылететь наружу, и мешают наблюдениям. К счастью, со временем их остается все меньше, и в этом диапазоне частот точность повышается сама собой:
Красная линия — чувствительнось в мае, она лучше, чем синяя линия апреля
Ну и, наконец, в верхней части шум возникает от интерферометра — в реальности кубики не двигаются, но прибор показывает фантомное движение из-за собственного шума.
С такой точностью детектор LISA сможет увидеть гравитационные события, происходящие за миллиарды световых лет:
Желтая линия на графике — это падение маленькой черной дыры в большую на расстоянии 3 миллиарда световых лет. А столкновение двух галактик с черными дырами в центре LISA сможет увидеть за 12 миллиардов световых лет. Это близко к Большому взрыву. И если благодаря телескопу Хаббл мы можем видеть очень далекие древние галактики, то гравитационная астрономия позволит заглянуть даже в то время, когда Вселенная была непрозрачной (первое время после Большого взрыва вещество во Вселенной было настолько близким друг к другу, что фотоны не могли далеко улететь).
Расчетное столкновение галактик должно быть гораздо «громче», чем чувствительность LISA
Пара интересных фактов
В начале июня ученые из проекта LISA Pathfinder отвечали на вопросы на Reddit, и из тех диалогов мы узнали еще несколько интересных вещей.
Прежде всего, «железо» проекта работает прекрасно, до сих пор работает первый комплект двигателей (на зонде два комплекта).
Давление солнечного ветра на LISA Patfinder составляет 28 микроньютонов.
Причина помехи, дающей пик в правой части графика пока не установлена, но ученые подозревают интерференцию от оборудования. Со временем они хотят собрать телеметрию на другой частоте, чтобы установить точную причину и устранить ее.
Будущее
Несмотря на огромный успех LISA Pathfinder и желание, чтобы гравитационный телескоп всматривался в тайны Вселенной уже сейчас, не стоит забывать, что полноценный детектор из трех аппаратов должен появиться только в 2034 году, а, учитывая постоянное смещение по срокам сложных технических проектов, скорее всего и того позже. Несмотря на успех приборов по измерению гравитационного воздействия еще не все технологии, требуемые для LISA, созданы. Например, мы (человечество) пока не умеем связывать три зонда на расстоянии несколько миллионов километров друг от друга лазерными лучами, чтобы очень точно измерять расстояние и передавать данные.
Источники
Материал создан по следующим источникам:
Комментарии (43)
NeoCode
24.06.2016 09:04Отличная новость! это же сколько тайн и загадок Вселенной мы сможем увидеть… А если сделать не три зонда, а больше, и связать их в матрицу, возможно удастся повысить точность еще?
lozga
24.06.2016 09:06Чем больше зондов, тем выше будет пространственное разрешение. Гравитационное событие будет определяться не как «этот большой участок неба» а иметь четкую локализацию.
Alexeyslav
24.06.2016 11:16Насколько я понял, сейчас зонд один и им могут регистрировать гравитационное возмущение, как одинокий буёк в море регистрирует волны. Но когда их будет три, и они будут синхронизированы да ещё с большой базой — уже можно заняться триангуляцией и ОПРЕДЕЛЯТЬ направление этих волн, причём разбирать сложную интерференционную картину наложения нескольких волн от разных источников как это делают ФАР с радиосигналом.
Shkaff
24.06.2016 12:11+2Не совсем так: сейчас спутник один, и он как буек, только вот уровень воды неизвестен — поэтому ничего регистрировать не получается. Для этого нужно два буйка и измерение их относительного движения. Для LISA определить направление будет тоже сложновато — потому что для этого нужно как минимум два независимых детектора, да еще и расположенных в разных плоскостях (LISA всегда будет одна плоскость). Это все потому что волны гравитационные являются квадрупольным возмущением — распространяются «в плоскости». Поэтому невозможно будет отличить волну, падающую под нулевым углом к детектору и волну большей амплитуды с некоторым углом падения. Три спутника LISA увеличат чувствительность и частотный диапазон, но не помогут с триангуляцией.
knstqq
24.06.2016 13:07Насколько я понимаю, кривизну пространства невозможно задетектировать только одним «буйком», потому что это не даёт информации о изменении пространства. Точка не может сжаться или расшириться, а нескольких см между парой кубиков сильно недостаточно для полученной точности: нужно несколько км, а лучше больше. Или я ошибаюсь?
Alexeyslav
24.06.2016 13:19Сейчас это по сути очень чувствительный механический датчик ускорения, с его помощью можно выявить гравитационную волну. Но чтобы определить кривизну пространства нужна сеть таких буйков, тремя буйками измеряя фазу между зарегистрированными возмущениями можно определить только направление волны. Но поскольку длина волны измеряется в астрономических единицах, сделать это даже с такими чувствительными приборами не так то просто. Да и сама задача сродни услышать писк комара за 10 километров в условиях городских шумов.
ababich
24.06.2016 12:531)столкновения двух галактик генерят мощную гравволну (при слиянии громадных черных дыр в центрах галактик)
2)частота гравволны (длина волны) зависит от размеров области, где происходит слияние
3)в данном случае размеры области больше, чем при слиянии "обычных" ЧД
4)длина волны больше, поэтому нужны интерферометры с большим плечом (то есть космические аппараты на большом удалении друг от друга) — только они могу детектировать такие волны
5)как альтернатива — обойтись без них и ловить изменение частоты пульсаров в момент когда гравволна проходит через пульсар (изменение метрики-пространства времени изменит воспринимаемую нами картину излучения пульсара)
kauri_39
29.06.2016 15:12Что представляет из себя гравитационная волна? С позиций ОТО это колебания метрики, с позиций КТП — колебания плотности энергии вакуума.
В гравитационном интерферометре под её влиянием отражательное зеркало одного плеча начинает с ускорением двигаться к делительному зеркалу, а отражательное зеркало другого плеча — с ускорением двигаться от делительного зеркала. Из-за этого нарушается компенсация фаз отражённых лучей, и в детекторе появляется сигнал. Потом зеркала с тем же ускорением движутся в обратную сторону.
Их движет само пространство, как оно в космологическом масштабе движет друг от друга скопления галактик. Только космологическое движение поступательное, а в гравитационной волне колебательное. Когда между отражательным и делительным зеркалами плотность энергии вакуума понижается, зеркала сближаются, а когда повышается, они расходятся.
Их расхождение от более плотного вакуума аналогично разлёту скоплений галактик, которых с ускорением движет антигравитационная сила пространства — тёмная энергия. А ускоренное движение в сторону менее плотного вакуума аналогично чему? Правильно, свободному падению тел в гравитационном поле.
Я что, один это вижу? А если ошибаюсь, то в чём? Или природа гравитации, тёмной энергии никого не интересует?
black_semargl
29.06.2016 17:15Не, не надо путать.
Колебания метрики приводят к движению зеркал, а гравитационные волны — к воздействию силы на зеркала.
В результате на гребне волны в одном случае максимальное смещение, а в другом — максимальное ускорение.Shkaff
29.06.2016 17:26kauri_39
29.06.2016 20:25Вот и я о том же. А теперь эти колебания метрики нужно перевести в колебания плотности энергии вакуума (мой эфир потребуется позже). Пока можно без формул, учитывая имеющиеся знания о том и другом.
Благодаря антигравитационному действию плотного вакуума, пространство во Вселенной плоское. А благодаря гравитационному действию материи, пространство вокруг тел искривляется. Нужно выбрать одно из двух: материя уменьшает плотность энергии вакуума или повышает его? Очевидно, уменьшает. Она вызывает отрицательное искривление, а плотность энергии вакуума — положительное. Второе преобладает на больших расстояниях и компенсируется свободным расширением пространства, делающим его плоским. Первое преобладает на сравнительно меньших расстояниях — вокруг материи, и ему противостоит вращение тел.
Дальше требуется подключать эфир, состоящий из взаимно сжатых эфиронов, и пятое измерение. Потому что иначе не объяснить, куда девается энергетически плотный вакуум вокруг тел, и откуда он повсеместно появляется, чтобы вызывать расширение Вселенной.Shkaff
29.06.2016 20:47Ну вот я почему Вам не отвечаю-то? Вы, объясняя, ничего не объясняете, потому что не связываете Ваши понятия и общепринятые. Потому что я не понимаю, как вы этими понятиями Вы оперируете.
плотности энергии вакуума
— это что такое и почему оно вдруг колеблется? Как это связано с черными дырами? Как сами черные дыры возникают в Вашей теории?
антигравитационному действию плотного вакуума
с чего вдруг антигравитационное? Что это значит? Что такое плотный вакуум?
пространство во Вселенной плоское
не факт
А благодаря гравитационному действию материи, пространство вокруг тел искривляется.
Почему вдруг искривляется пространство? Как это связано с параметрами его? А как быть со светом?
Нужно выбрать одно из двух: материя уменьшает плотность энергии вакуума или повышает его? Очевидно, уменьшает.
Мне не очевидно (не говоря о том, что плотность энергии вакуума для меня не ясна).
Она вызывает отрицательное искривление, а плотность энергии вакуума — положительное.
Отрицательное искривление? Только пространства? Как быть со временем?
Первое преобладает на сравнительно меньших расстояниях — вокруг материи, и ему противостоит вращение тел.
Ваша теория объясняет нелинейные эффекты?
Про эфир я даже спрашивать не буду…kauri_39
30.06.2016 00:04+1Я все свои понятия основываю на общепринятых понятиях, последние есть в Википедии, могу её здесь цитировать.
В статье о тёмной энергии говорится:
«Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и естькосмологическая постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (от названия греческой буквы ?, используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности). Введение космологической константы в стандартную космологическую модель, основанную наметрике Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.
Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10?29 г/см?, или около 1.03 кэВ/см? (около 10?123в Планковских единицах)».
Движемся дальше?
Плотность энергии локально может изменяться. Этим объясняется эффект Казимира (есть в Вики). В нанометрическом зазоре между пластинами меньше виртуальных фотонов — то же самое, что вакуумных флуктуаций или плотность энергии вакуума. Поэтому пластины придавливает друг к другу внешний, энергетически более плотный вакуум — с силой, пропорциональной площади пластин и обратно пропорциональной 4-й степени расстояния между ними.
Если снижение энергетической плотности (далее — просто плотности) вакуума между пластинами вызывает взаимное притяжение пластин, то и притяжение тел тоже можно объяснить снижением плотности вакуума между ними. Только различие в том, что в эффекте Казимира снижение плотности возникает из-за её частичной экранировки пластинами, а в гравитации плотность снижается из-за постоянного поглощения вакуума материей тел.
Теперь можно ответить про чёрные дыры. Возникают они, как и предполагается — при коллапсе звёзд определённой массы. Возможно, что материя центральной «сингулярности» имеет следующую за нейтронной кварковую плотность массы. Темп снижения плотности вакуума ею таков, что внешний плотный вакуум устремляется к ней с огромной скоростью, и превышает скорость света за сферой Шварцшильда. То есть горизонт событий ЧД имеет сходную причину образования со вселенским горизонтом событий.
Антигравитационное действие пространства выражается через L-член в LCDM — модели Вселенной. Изначально введён Эйнштейном для противодействия гравитации и объяснения стабильности Вселенной. Повторно введён после открытия ускоренного разлёта скоплений галактик. Объясняется тёмной энергией (цитата выше).
Плоскостность пространства подтверждена с точностью до 1% (данные WMAP). Этого достаточно, чтобы считать противоположными по действию на геометрию пространства материи и плотного вакуума.
Искривление пространства материей — это объяснение гравитации в ОТО. Согласно ОТО, искривляется пространство-время, но я говорю сразу о причине замедления времени — уменьшении де Бройлевской частоты фотона в гравитационном поле.
Что со светом в гравполе? То самое, что уже описано в ОТО. Но с учётом механизма гравитации получается, что искривление лучей в гравполе — это их снос потоком вакуума к телам. И гравитационное красное смещение фотонов объясняется естественным уменьшением длины волны фотона во встречном потоке его носителя — энергетически плотного вакуума.
Не понял вопроса о нелинейных эффектах.Shkaff
30.06.2016 09:40Ну уж вики можно было бы не цитировать, тем более неправильно связывая эффект Казимира и космологическую постоянную. Они «действуют» в разных направлениях.
4-й степени расстояния между ними.
посчитайте сами, на каком расстоянии никакой силы уже не будет;)
плотность снижается из-за постоянного поглощения вакуума материей тел.
Почему вакуум поглощается материей тел?
И заодно — вы так и не ответили, почему плотность то изменяется? Относительная плотность может меняться между двумя пластинами, но с чего вдруг в пустом пространстве?
имеет следующую за нейтронной кварковую плотность массы.
что такое «кварковая плотность» и вообще откуда Вы взяли это? Про вакуум — опять же, никаких оснований не вижу для различия в плотности.
превышает скорость света
хахаха
То есть горизонт событий ЧД имеет сходную причину образования со вселенским горизонтом событий.
Что такое вселенский горизонт событий?
Объясняется тёмной энергией (цитата выше).
Темная энергия — это другое название L члена, одно никаким образом не может объяснять другое.
Кстати, если вы объясняете темную энергию вакуумными флуктуациями, а потом говорите, что их плотность может меняться, то значит, что плотоность темной энергии может меняться, а значит — постоянная L на самом деле каким-то образом зависит от времени, что противоречит ОТО.
лучей в гравполе — это их снос потоком вакуума к телам.
made my day. Каким же это образом ЭМ волны — вакуум — «сносят» другие ЭМ волны? Попробуйте, пожалуйста, посветить одной лазерной указкой перпендикулярно другой, чтобы луч отклонился.
Согласно ОТО, искривляется пространство-время, но я говорю сразу о причине замедления времени — уменьшении де Бройлевской частоты фотона в гравитационном поле.
— замедление времени это не то же самое, что уменьшение частоты. де Бройлевская длина волны вообще не при чем (вообще почитайте, что это). Да и речь не о фотонах, а о любом массивном теле.
И возьмите в руки вики и калькулятор и посчитайте магнитуду хоть одного из ваших эффектов, а потом мы вместе посмеемся.
kauri_39
30.06.2016 17:16Не знаю, как лучше объяснять Вам взаимодействие материи и пространства, свойства того и другого. Наверное, мне лучше подготовить отдельную публикацию, в которой я постараюсь ответить на Ваши вопросы. Читая мои ответы другим оппонентам, Вам будет легче представить, о чём я говорю.
black_semargl
30.06.2016 09:54Конкретный механизм распространения волн — что гравитационных, что электромагнитных — пока не известен.
Даже ОТО до сих пор называется теорией, а не законом физики. Не то чтобы альтернативные теории были лучше, но…Shkaff
30.06.2016 09:57+1Ну, ОТО идеально пока совпадает со всеми наблюдениями. И все в физике — теории, потому что всегда можно сказать «а вот точность совпадения теории и эксперимента недостаточна». А уж про ЭМ вы загнули.
black_semargl
30.06.2016 16:12Альтернативные теории — тоже отлично совпадают с наблюдениями. Не совпадает та часть, которую мы пока не можем пронаблюдать.
А законов в физике тоже полно, от закона Архимеда до Фарадея.Shkaff
30.06.2016 16:16Это какие же, позвольте узнать, альтернативные ОТО теории?
На минуточку, теория и закон — это вещи разных уровней общности. Теории состоят из законов. Теория гидродинамики включает в себя закон Архимеда. Так что не надо тут лингвистику разводить, тем более, что в английском она просто GR. Ну ошиблись с комментом про волны, так чего теперь выступать, со всеми бывает.black_semargl
30.06.2016 22:11Ну я альтернативными особо не интересовался, просто знаю что они есть.
Теории — они базируются на известных законах, да.
Но там дополнительно есть и некие предположения о том как состоят дела. И именно они нуждаются в экспериментальном подтверждении.Shkaff
01.07.2016 00:22Ну вот, не знаете, а говорите… Гравитационные волны — прямое следствие ОТО, настолько прямое, что это буквально решение основного уравнения в теории. Шансов на то, что совершенно другая теория дает такие же эффекты — невелики. Конечно, нет сомнений, что ОТО — не полная теория, и будет новая, которая будет включать ее как частный случай. Так что,
Колебания метрики приводят к движению зеркал, а гравитационные волны — к воздействию силы на зеркала.
— неправда, это один и тот же эффект.black_semargl
01.07.2016 11:15-1Гравитационные волны даже по-Ньютону есть — движущаяся масса притягивает в разных направлениях с переменной силой. ОТО лишь уточняет механизм и скорость распространения.
Shkaff
01.07.2016 11:40Это неправда, почитайте что такое гравитационные волны. По Ньютону гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно, так что никаких волн возникнуть не может. А переменная сила — это не волна.
black_semargl
01.07.2016 11:57-1Мгновенность распространения не отменяет синусоидальное воздействие на тестовое тело.
Shkaff
01.07.2016 12:17+1Вам серьезно настолько лень почитать википедию? Синусоидальное воздействие мгновенной силы не имеет ничего общего с гравитационными волнами. Я уж не говорю о том, что гравитационные волны — квадрупольное излучение, а кроме того регистрация их LIGO доказала ограниченность скорости распространения скоростью света.
norlin
Офигеть.
А кто-нибудь может пояснить, почему у LISA детекторы достигают такой точности измерений при маленьких размерах девайса, а для LIGO потребовались плечи по 4 км?
lozga
Плечо нужно для детектирования гравитационных волн. Кубики LISA Pathfinder сами по себе, одни, их детектировать не могут, несмотря на достигнутую точность. А детектор LISA, который ожидается в 2034 должен состоять из трех похожих аппаратов с плечом между ними в миллионы километров. И там должна быть гораздо большая точность чем на наземном детекторе LIGO с 4 км плечом.
norlin
А, то есть LISA Pathfinder – только для тестирования точности измерения положения кубиков?
Я вот прочитал эту и февральскую статью, но всё равно думал, что LISA уже может детектить гравитационные волны.
lozga
Да, она только положение кубиков измеряет. Я не сомневаюсь, что ученые попытаются как-нибудь извернуться, но не стал бы надеяться на успех.
norlin
А что насчёт вот этого?
lozga
Это для полноценного детектора из трех зондов.
norlin
Ок, спасибо за пояснения.
petrovnn
а я думал что один датчик вполне может детектировать гравитационные волны, но не может определить направление и точное положение источника волн. Именно для этого и нужна триангуляция. Чем-же является эта констатация факта, если не свидетельством работы датчика?
Shkaff
Один «датчик» — как LISA Pathfinder — состоит из маленького интерферометра с двумя подвижными массами, но расстояние между ними столь мало, что нужна волна гигантской амплитуды, чтобы они смогли почувствовать ее. Для LISA этими двумя массами будут зеркала на расстоянии в миллон километров, поэтому один «датчик» в данном случае — два спутника.
На графике показана интерполяция — какой будет чувствительность LISA, если использовать те же технологии, но в финальной конфигурации с 3 спутниками на большом расстоянии.
black_semargl
Одной точки к сожалению слишком мало чтобы что-то померить.
norlin
Но ведь тот же LIGO, насколько я понимаю, измеряет тоже "одну точку", за счёт разницы в длине пути двух лучей.
lozga
У LIGO две точки на расстоянии 3000 км
norlin
А, точно, спасибо. Упустил этот момент.
Shkaff
Справедливости ради, и один детектор бы поймал волну (если исключить глитчи и триангулирование). LIGO измеряет относительное движение двух зеркал на расстоянии 4км, а не движение двух детекторов LIGO.
Shkaff
Для детектирования грав волн нужно измерять относительное движение двух тестовых масс. Различают чувствительность «абсолютную» — количество шума в детекторе и чувствительность к величине деформации метрики пространства-времени (по сути абсолютная чувствительность, деленная на расстояние между тестовыми массами). Так вот, для LISA Pathfinder абсолютная чувствительность сравнима с LIGO, а вот к изменению метрики — гораздо меньше, за счет того, что расстояние между двумя кубиками очень мало (сантиметры по сравнению с 4км LIGO).
Mad__Max
Так Pathfinder это все-таки полноценный интерферометр измеряющий расстояние между 2мя тестовыми массами, просто с очень маленьким плечом (внутри одного аппарата)?
Shkaff
Да, именно так:
