02.12.2018 15:11
Shkaff 60 17800 Источник
Длиннее, мощнее, точнее — Европа собирается построить гравитационно-волновой детектор нового поколения под названием Einstein Telescope.


Einstein Telescope концепт-арт, credit: www.gwoptics.org

Детектор AdvancedLIGO только-только начал работать пару лет назад, и даже еще не достиг запланированной чувствительности. Однако ученым очевидно, что чувствительности LIGO будет недостаточно для настоящей гравитационно-волновой астрономии.

Я расскажу о том, что ограничивает LIGO, и как подземный криогенный детектор в 2,5 раза длиннее LIGO сможет обойти эти ограничения.

1. Введение о принципах работы ГВ детектора


Сначала я кратко напомню, как LIGO детектирует гравитационные волны, и определю некоторые понятия.


Детектор LIGO — интерферометр Майкельсона. Гравитационные волны растягивают одно плечо и сжимают другое, относительная фаза света на делителе лучей изменяется, и на выходе появляется интерференционная картинка. Image credit: induced.info

1.1 Принцип работы


Гравитационные волны (ГВ) — малые возмущения метрики пространства-времени. Они возникают при несимметричном движении массивных тел, например, при слиянии двух черных дыр. Эти возмущения приводят к изменению определения расстояния между предмета (“растягивают” и “сжимают” расстояние). ??Гравитационно-волновой детектор создан так, что он позволяет измерить это изменение расстояний с помощью лазеров. В простейшем варианте детектор является интерферометром Майкельсона, где плечи детектора сбалансированы так, что за счет конструктивной интерференции весь свет отражается в сторону источника, а второй выход делителя луча за счет деструктивной интерференции остается темным.

Когда ГВ достигают детектора, они растягивают одно плечо и сжимают другое, что изменяет интерференционную картинку на выходе интерферометра и позволяет зарегистрировать сигнал.
В прошлой статье я объяснял, что ГВ детектор — не линейка, а часы, т.е. измеряет относительную задержку света в двух плечах, вызванную гравитационной волной. Также я показал, что относительное изменение фазы света:

$\phi = L/\lambda $


Это уравнение объясняет, почему детекторы делаются такими длинными: это позволяет увеличить чувствительность.

Для дальнейшего увеличения чувствительности ученые придумали использовать оптические резонаторы. Они позволяют свету путешествовать в плече несколько раз $\mathcal{N}$, эффективно увеличивая длину плеча в $\mathcal{N}$ раз.

Также сигнал на выходе из детектора пропорционален мощности света внутри детектора, так что резонаторы решают сразу две задачи, так как усиливают мощность света.

1.2 Поляризация гравитационных волн


Гравитационные волны обладают поляризацией: они могут быть либо “+” (относительно детектора — растягивают одно плечо и сжимают другое), либо “х” (растягивают/сжимают оба плеча одновременно).


Смещение тестовых масс (шарики) под действием ГВ разных поляризаций в течение одного периода. Credit: [Tiec, Novak, 2017]

Детектор чувствителен только к “+” поляризации. Поэтому важно иметь несколько детекторов с несколько разной ориентацией плеч, чтобы можно было измерять волны любой поляризации: если один детектор ориентирован на “+”, а второй — на “х”, то если один детектор увидел волну, а другой нет — мы уверены, что это поляризация была точно “+”. А если оба увидели волну разной амплитуды, то мы можем рассчитать, какой была начальная поляризация.

Чувствительность к поляризации задает разную диаграмму направленности для двух поляризаций(т.е. какие точки на небе лучше всего видны детектору).


Диаграмма направленности детектора к х и + поляризациям, а также усредненная по двум поляризациям. Credit: arXiv:1501.03765

2. Ограничения LIGO


LIGO обладает невероятной чувствительностью: позволяет измерить относительное изменение длины плечей с точностью до 10-18 м.

Чтобы измерять сигналы с такой точностью, необходимо избавиться от всевозможных шумов в различных частях инструмента.

Чувствительность детектора обычно показывают как уровень шумов в детекторе на разных частотах в виде спектральной плотности. Спектральная плотность отражает вклад разных шумов в сигнал на выходе детектора (т.е. некоторые шумы могут быть значительны на месте возникновения, но давать малый вклад в шум на выходе). Обычно спектральную плотность нормируют на амплитуду гравитационных волн (что называется strain, $h = \Delta L/L$)


Основные вклады в чувствительность LIGO на разных частотах, нормированные на амплитуду ГВ strain, $h = \Delta L/L$

Рассмотрим несколько самых важных вкладов в шумы:

1. Сейсмический шум (ограничивает частоты <1Гц): любая сейсмическая активность может смещать зеркала. Чтобы изолировать от этого шума, зеркала подвешены на многоступенчатом подвесе, который в свою очередь закреплен на многоуровневой массивной подставке. Чем ниже резонансная частота подвеса, тем больше подавлены шумы на низких частотах. В принципе, нет ограничений в качестве подавления шума.

2. Ньютоновский гравитационный шум (ограничивает частоты~1Гц): даже если зеркала полностью изолированы от прямого сейсмического воздействия, смещение поверхности земли/пола может влиять на зеркала гравитационно. Акустические волны, распространяющиеся по поверхности земли, например, от ветра или волн, немного изменяют расстояние от зеркала до земли, а значит и силу притяжения, что может смещать зеркала. Изолировать полностью от этого нельзя, это фундаментальное ограничение.

3. Тепловой шум подвесов (ограничивает частоты ~1-10Гц): тепловое движение молекул в подвесах зеркал приводит к возбуждению колебаний в подвесе, что смещает зеркала. Подавить сложно, все упирается в качество материалов.

4. Тепловой шум зеркал (ограничивает чувствительность снизу): тепловое движение молекул в покрытиях зеркал, и в самом “теле” зеркал (подложка). Выглядит для луча света как смещение самого зеркала целиком. Ограничено материалами, самый важный технический шум.

5. Квантовый дробовой шум лазера (частоты >50Гц): свет имеет квантовую природу, отдельны фотоны летят с разной случайно задержкой. Эта задержка видна как измерение фазы на выходе интерферометра, и ограничивает все частоты. Чем больше мощность света внутри детектора, тем меньше шум. Фундаментальный предел, но может быть подавлен с помощью сжатого света.

6. Квантовый шум радиационного давления (частоты 10-50Гц): тот же дробовой шум приводит к флуктуациям мощности внутри интерферометра и вызывает случайную силу радиационного давления на зеркала. Столь же фундаментален как и дробовой шум. В отличие от дробового шума, растет с увеличением мощности света.


Пояснение про квантовые шумы. Одиночные фотоны производят случайную силу радиационного давления (слева). С другой стороны, случайное распределение фотонов во времени приводит к флуктуациям амплитуды на фотодетекторе (справа). Оба шума зависят от длины волны, мощности света и длины плеча. Шум радиационного давления тем меньше, чем больше масса зеркал. Credit: [1].


Зависимость чувствительности от мощности света $P_0$: дробовой шум (синий) уменьшается, а шум радиационного давления (зеленый) — пропорционально возрастает.

7. Остаточный газ в вакуумной системе (все частоты, но не ограничивает сейчас): сверхвысокий вакуум в системе всегда не идеален, и остаточные молекулы газа могут рассеивать свет. Может быть сколь угодно мал (зависит от качества насосов).

8. Классические лазерные шумы (не ограничивают): мощность и частота лазера могут флуктуировать и по классическим причинам (тепловые шумы, вибрации). Лазерная система включает в себя сверх-стабильные лазеры и многоуровневые системы контроля частоты и мощности лазера.

Все эти шумы можно разделить на две группы: силовые — флуктуации приводят к физическому смещению зеркал (шумы 1-3 и 6), и координатные — флуктуации приводят к изменению фазы света, но не смещают зеркала (шумы 4,5 и 7).

Силовые шумы $F$ вызывают смещение $x$ тестовых масс по закону Ньютона $m\ddot{x} = F$, или в частотном диапазоне: $x(\Omega) = F(\Omega)/(m\Omega^2)$. То есть, эти шумы можно уменьшить, увеличивая массу зеркал.

Дизайн LIGO принципиально не может решить проблему Ньютоновского шума 2, и без полной перестройки оптических систем проблему теплового шума зеркал 4.

В подбробностях про шумы можно почитать в замечательной статье про LIGO на Хабре.

3. Как новый детектор решит эти проблемы



Подземный детектор KAGRA присоединится к наблюдениям уже в следующем году.

Итак, новый детектор будет расположен под землей. Это позволит уменьшить сейсмические шумы 1, и, что самое важное, ньютоновский шум 2: основной вклад в него вызван поверхностными волнами, которых практически нет под землей.

В зависимости от того, где будет построен детектор (сейчас два главных варианта — в Нидерландах или на Сардинии, и возможно в Венгрии).


Сравнение сейсмики в разных возможных локациях с детектором AdvancedVirgo в Италии.

Конечно, будут сделаны наиболее очевидные технические шаги по подавлению сейсмики: новая система подвесов для пассивной изоляции и более тяжелые зеркала в 200кг каждое для подавления всех силовых шумов.


Одна из угловых станций телескопа Эйнштейна со множеством вакуумных камер. Credit: gwoptics.org

Проблема теплового шума зеркал сложнее. Очевидным решением было бы охладить зеркала, тем самым уменьшив броуновские шумы.

Однако, охлаждение приведет к изменению оптических свойств зеркал, и увеличит поглощение. Кроме того, с холодными зеркалами невозможно использовать большие мощности света: поглощение в зеркалах нагреет их и сведет охлаждение на нет. ?То есть, нужно охладить детектор и уменьшить мощность света? Так тоже не получится — возрастет дробовой шум (4), и испортит чувствительность на низких частотах.

Ученые пришли к другому решению: использовать два интерферометра в одном месте.


«Ксилофонная» конфигурация детектора с двумя интерферометрами вложенными друг в друга. Credit: A. Freise et al, CQG 26 (2009) 085012

Один будет оптимизирован для низких частот, работать с охлажденными до 20К зеркалами, и использовать малую мощность света. Дробовой шум возрастет, однако детектор не будет использоваться на частотах, где дробовой шум имеет значение. Второй детектор будет работать при комнатной температуре на большой мощности: это позволит подавить дробовой шум на высоких частотах, но испортит чувствительность на низких частотах возросшим шумом радиационного давления. Но этот детектор не будет использоваться на низких частотах. В итоге комбинированная чувствительность будет оптимальна на всех частотах.


Низкочастотный детектор ET-D-LF с охлажденными зеркалами и малой мощностью (и малым шумом радиационного давления), и высокочастотный ET-D-HF с большой мощностью (и малым дробовым шумом). Credit: [1]

Другая проблема нового поколения детекторов: на момент постройки он будет только один с такой чувствительностью. Во-первых, не будет возможности отличить случайный всплеск от сигнала, если нет возможности проверить совпадения между детекторами. Во-вторых, не будет возможности измерять разные поляризации гравитационных волн. Ученые предлагают построить не один детектор, а три с разной ориентацией (в виде треугольника, как на картинке).


Концепция треугольной конфигурации детектора (слева); туннели с разными плечами (справа).

Это позволит улучшить диаграмму направленности детектора и регистрировать гораздо больше событий:


Сравнение диаграммы направленности одного детектора (слева) и трех детекторов в треугольной конфигурации (справа).

Напомню, каждый из них будет состоять из двух: один для низких, а другой для высоких частот. В итоге шесть детекторов будут расположены треугольником.



Все эти ухищрения позволят увеличить чувствительность детекторов как минимум на порядок.
Такая чувствительность позволит увеличить дальность наблюдения практически до границы видимой Вселенной, видеть слияния ЧД первого поколения звезд и наблюдать слияния черных дыр и нейтронных звезд постоянно.

Увеличение чувствительности на низких частотах позволит наблюдать более ранние стадии слияния объектов, и получать больше информации об их параметрах.

Высокие частоты позволят наблюдать за эволюцией черной дыры или нейтронной звезды, образовавшейся в результате слияния. Этот режим наиболее интересен для проверки ОТО и возможных альтернатив. Например, гравитационно-волновое эхо может наблюдаться именно на высоких частотах.


Сравнение чувствительности ET и LIGO-Virgo

Но самое важное — это будет не просто детектор, а целая инфраструктура, которая позволит увеличивать чувствительность детектора многие десятилетия.

4. Заключение


О чем я не упомянул


Я не обсудил еще такую важную часть ET как системы подавления квантовых шумов с помощью частотнозависимого сжатого света. Про сжатый свет можно подробнее почитать в отличной статье на Хабре. Я планирую рассказать более подробно про квантовые шумы в детекторе в следующей статье.

Кроме того, в ET будет использована так называемая оптическая жесткость — усиление сигнала за счет нелинейного взаимодействия между механическим осциллятором и светом внутри резонтаторов. Подробнее про квантовую оптомеханику — науку о взаимодействии между механическими системами и светом — скоро на Хабре;)

Конечно, я затронул только самые основные особенности ET, деталей есть великое множество — добро пожаловать в комменты.

Кроме того, я не упомянул, что в США планируется строительство еще более длинного 40км наземного телескопа Cosmic Explorer, но его дизайн пока менее проработан, нежели ЕТ, так что никаких интересных подробностей не расскажу.

Статус Einstein Telescope




В настоящий момент ET еще не получил одобрение Еврокомиссии. Отдельные страны вкладывают деньги в предварительные исследования. Коллаборация постепенно формируется. Можно почитать официальный сайт и даже присоединиться к коллаборации, подписав Letter of Intent.

По плану в ближайшие год-два Европа рассмотрит заявку на создание и утвердит местоположение. Запуск ET в таком случае произойдет в начале 2030х.


Один из вариантов — треугольник на границе Германии, Бельгии и Нидерландов, расположенный так, что в каждой стране будет по одной угловой станции. Будет символом объединенной Европы.

Новости LIGO


Тем временем, LIGO объявило о результатах обработки данных от предыдущего наблюдательного цикла О2: было еще четыре новых слияния черных дыр. Таким образом, за все время LIGO уже увидело 10 слияний черных дыр и одно слияние нейтронных звезд. Завтра все данные будут официально представлены, и я дополню статью некоторыми подробностями.

UPD: Итак, новый каталог гравитационных волн был опубликован на arXiv, вместе с обновленным анализом данных по всем событиям. Сенсационных открытий нет, но мы уже видели 10 слияний черных дыр, и это само по себе замечательно.

Все известные нам черные дыры (солнечных масс) и нейтронные звезды, включая наблюдения LIGO-Virgo. Можно посмотреть в интерактивном режиме. Credit: LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern

Тем временем, вовсю идет обновление детекторов, направленное на увеличение их чувствительности, и на весну 2019 запланирован запуск детекторов в новом годичном цикле наблюдений О3. Чувствительность будет так велика, что планируется в среднем наблюдать одно событие в неделю. Летом 2019 по плану к двум детекторам LIGO и детектору Virgo присоединится японский детектор KARGA.

Этот цикл О3 будет интересным для открытой науки, так как теперь все потенциальные кандидаты на слияния будут объявляться в режиме реального времени вместе с оценкой на их источник, что позволит всем заинтересованным производить наблюдения в других диапазонах. Подробнее тут.

Эпоха гравитационно-волновой астрономии только начинается, впереди много всего интересного. Stay tuned!

Также приглашаю почитать предыдущие публикации, где я рассказываю, чем так важно наблюдение нейтронных звезд в ГВ, какую интересную физику позволяют нам изучать слияния черных дыр, и как вообще LIGO может работать, если ГВ растягивают свет вместе с пространством.

Литература
[1] S. Hild Beyond 2nd Generation GW detectors
[2] ET Design Study
[3] LIGO Open Science Data center.

Комментарии (60)


  1. ni-co
    02.12.2018 21:16
    #19444106
    +1

    "… В августе 2002 года обсерватория LIGO начала наблюдение гравитационных волн." ( Wiki)
    А не пару лет назад. Пару лет назад были официально зафиксированы гравитационные волны.


    1. Shkaff Автор
      02.12.2018 21:22
      #19444124
      +2

      Ага, спасибо! Я всегда имею ввиду AdvancedLIGO, который как раз пару лет назад начал работать. Потому что в Initial LIGO никто не рассчитывал ничего увидеть, детектор работал в тестовом режиме.


  1. sinc
    02.12.2018 22:24
    #19444330
    +2

    Также фаза света пропорциональна мощности света внутри детектора

    можете пояснить? не совсем понятно.


    1. Shkaff Автор
      02.12.2018 22:40
      #19444372

      Глупость написал, извиняйте. Спасибо за поправку! Конечно, сигнал на выходе пропорционален мощности, а не фаза.


  1. stalinets
    02.12.2018 22:50
    #19444422

    Интересно, если недалеко от детектора будет качаться ребёнок на качели (будь то подвесной или типа «лошадка на автомобильном амортизаторе»), это будет видно? По идее должна появиться слабенькая синусоида?


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 00:08
      #19444630
      +2

      Не уверен: 1) частота маловата, детекторы наиболее чувствительны в диапазоне от 5-10Гц до 1-2кГц. 2) если вы подразумеваете гравитационное притяжение (или тем более волны) от лошадки, оно будет слишком мало, да и детектор к такому не чувствителен, так что не увидеть. 3) если речь о сейсмическом влиянии — не на сигнальном порту, для этого слабовато, а в дополнительных каналах возможно будет видно.

      В принципе, детектору мешает любая активность — машины на шоссе, самолеты над детектором, морской прибой в сотнях километров от детектора…


    1. JamboJet
      03.12.2018 11:51
      #19446080
      +1

      Читал интервью с разработчиками, там жаловались что детектируют даже стаи птиц в небе, перемещения воздушных масс (тучи), проезжающий в радиусе нескольких миль автомобиль. Всё это приходилось вносить в фильтры и учиться отсеивать.

      Я ещё сразу подумал: «хм, удивлен если за этим проектом не следит Пентагон. Им пары млрд $ явно было бы не жалко на подобную установку, чтобы в масштабе планеты обнаруживать перемещения атомных подлодок и прочих подобных массивных объектов».


      1. Shkaff Автор
        03.12.2018 11:53
        #19446088
        +1

        К сожалению, детектируют-то да, но без какой-либо информации о направлении и источнике. Так что для военки, думаю, есть гораздо более компактные и эффективные способы.


        1. Tufed
          03.12.2018 13:06
          #19446448

          тогда нужно четыре таких в форме тетраэдра и будем знать точное местоположение в пространстве до объекта. принцип действия: регистрируем на каждом одинаковые активности, анализируем разницу во времени между регистрациями на каждом из детекторов, получаем вектор и даже расстояние до объекта.


          1. vanxant
            03.12.2018 13:13
            #19446488

            Не взлетит. На более-менее большом расстоянии от источника грав. волны излучаются только при неравномерном ускорении источника.
            Подлодки — они далеко и, в отличие от грузовиков, по кочкам не прыгают.


      1. sim31r
        03.12.2018 18:37
        #19448170

        Вроде плотность подводной лодки равна плотности воды, и не получится детектировать гравитационно.
        Плюс к этому расстояние ограничено, как вы сами отметили

        проезжающий в радиусе нескольких миль автомобиль

        Есть другие методы, сеть звуковых сенсоров, давно работает и вполне успешно.


  1. PwrUsr
    03.12.2018 01:31
    #19444800

    А в космос вынести не собираются? (там правда задолбаешься их делать обсолютно неподвижными друг от друга… но зато никаких тебе атмсофер, шумов, вибраций от прибоя и т.п. посторонних)… да еще и плечо можно делать длинющееееее — насколько мощьности лазера хватит — наверное и миллионы километров…


    1. voyager-1
      03.12.2018 01:50
      #19444836
      +1

      Был такой проект (LISA) совместно от NASA и ESA. По этому проекту даже запустили спутник для проверки концепции в конце 2015 года, который успешно проработал 1,5 года. Но из-за финансовых проблем его запуск отложили аж до 2034 года, так что мы ещё не скоро его увидим.


      1. Shkaff Автор
        03.12.2018 09:33
        #19445388

        Да вроде снова разработку запустили в активную фазу, понемногу работают. А запуск всегда планировался в конце 20х — начале 30х.


    1. sim31r
      03.12.2018 18:43
      #19448196

      На Земле зеркала тоже не жестко прикручены к поверхности опорной, так же как и в космосе висят в сложных магнитно-механических подвесах. Так что этой проблемы нет.
      Плюс легко сделать криогенные температуры, экран от солнечного света и оборудование само охладится до криогенных температур.
      Вопрос только с массой оборудования, одно зеркало в 200 кг чего стоит вывести на удаленную орбиту.


      1. Shkaff Автор
        03.12.2018 18:48
        #19448216
        +3

        Длина телескопа определяет частоты ГВ, к которым он будет чувствителен. Чем длиннее, тем ниже частота. Соответственно, разные детекторы будут детектировать разные источники ГВ.

        Как-то так


  1. qbertych
    03.12.2018 01:57
    #19444844

    Немного напрягает международный статус — ибо куча сил уйдет на организацию международных отношения (как в том же ИТЭРе), плюс казалось бы проект не из самых дорогих.


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 09:36
      #19445396

      Ну как, там оценивают в несколько миллиардов… Для науки отдельного государства это очень много. И самое главное — в отдельно взятой стране просто не хватит ученых (и всей инфраструктуры научных групп, связанных с проектом). Но вообще сложностей хватит, конечно.


      1. qbertych
        03.12.2018 21:23
        #19448740

        Пардон, не обратил внимание на сумму проекта. Тогда разумеется. Затраты на LIGO вроде ~500 млн были.


        1. Shkaff Автор
          03.12.2018 21:26
          #19448750
          +1

          Ну там копать если под землей — это гигантские затраты, больше 500млн только это.


  1. Gribs
    03.12.2018 02:38
    #19444910
    +1

    Есть несколько комментов. Первое что бросилось в глаза у вас на сравнении одиночного и тройного детекторов вместо чувствительности для тройного детектора rms чувствительность для одиночного. Картинка с оригинальной статьи вот:

    Сравнение чувствительности для тройного детектора
    image


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 09:43
      #19445420

      Ой, спасибо, про диаграммы направленности это я недосмотрел, с работы поправлю.

      почему у ET отказались от того же типа подвески что и у Virgo.

      А почему отказались? Вроде как раз типа Virgo будут (там вон даже на картинках что-то похожее изображено).

      Но на самом деле пока нет финального дизайна, так что варианты могут быть разные.


  1. DeggerZed
    03.12.2018 09:53
    #19445446

    а что мешает построить такой детектор где нибуть в пустыне там точно не будет помех от шоссе или деятельности человека?


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 10:09
      #19445516

      В целом так и стараются делать. Но тут надо же чтобы туда можно было добраться ученым и рабочим. Где-нибудь в Сахаре не пойдет: кто туда поедет работать (да и инфраструктуры для жизни нет). Так что проще построить под землей:)


      1. vanxant
        03.12.2018 13:06
        #19446452

        В родном для евроастрономов Чили могли запилить, или ещё лучше — в Австралии. Там и с пустынями порядок, и инфраструктура какая-никакая есть. Ну и вообще в Южном полушарии не помешало бы из-за углов.


        1. Shkaff Автор
          03.12.2018 13:13
          #19446490

          В Австралии хотят, но там правительство денег не дает. В Чили с сейсмикой плохо… В Индии строится уже.
          Да и потом, это же не только сам телескоп, но и все научные группы, которые вокруг него, и научная инфраструктура, и популярность региона. Так что в отдаленных регионах строить не очень. Условно, зеркала делаются в одном городе, подвесы — в другом, лазеры в третьем, а сжатый свет — в четвертом. Когда все эти города в пределах пары сотен км, проблем никаких их доставить и ездить туда-сюда устанавливать/настраивать. А если это в горах в Чили — вот там весело придется… И главное, выгода-то не такая большая.

          Вы попробуйте сами выбрать оптимум, вот тут народ сделал «симулятор»;)


          1. qbertych
            04.12.2018 06:42
            #19449746

            «We thank the members of the GEO 600 collaboration for extensive beta testing» в титрах — это успех!


  1. Tachyon
    03.12.2018 11:33
    #19445980

    Один из вариантов — треугольник на границе Германии, Бельгии и Нидерландов, расположенный так, что в каждой стране будет по одной угловой станции. Будет символом объединенной Европы.


    Тоесть это будет самый дорогой подкоп через границу. А учитывая что разрешено в Нидерландах, то два направления и товар экспорта уже известны.

    P.S. Это всё шутка конечно. А если серьёзно, то здорово что человеческий разум может создавать такие приборы в теории и на практике. Так наука объединяет людей разных стран и языков, это здорово.


  1. valdemartorch
    03.12.2018 11:34
    #19445990

    Скорость распространения волн уже посчитали? Как будут на Эйнштейновские бередятни натягивать?


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 11:51
      #19446074
      +3

      Точно равна скорости света:
      image


  1. Shkaff Автор
    03.12.2018 14:26
    #19446796
    +1

    Итак, новый каталог гравитационных волн был опубликован на arXiv, вместе с обновленным анализом данных по всем событиям. Сенсационных открытий нет, но мы уже видели 10 слияний черных дыр, и это само по себе замечательно.

    Все известные нам черные дыры (средних масс)

    Все известные нам черные дыры и нейтронные звезды, включая наблюдения LIGO-Virgo. Можно посмотреть в интерактивном режиме. Credit: LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern


  1. alinagafurova08
    03.12.2018 17:12
    #19447774
    +1

    Очень интересно, спасибо!


  1. Sovetnic2020
    03.12.2018 17:13
    #19447776

    А можно поинтересоваться на скока порядков грави волны быстрее волн света ???


    1. Shkaff Автор
      03.12.2018 17:14
      #19447782

      Скорость распространения гравитационных волн точно равна скорости света (см выше).


      1. vanxant
        04.12.2018 03:32
        #19449544

        Забавно, НЛО теперь даже не раскрывает своего присутствия. Вот бы ещё политоту так тёрли).
        Понимаю, что kauri_39 заработал, кхм, определённую репутацию в околофизических статьях на хабре, но вопросы он часто задаёт правильные. В потёртой ветке комментариев он задал интересный вопрос о наивной доработке классической ньютоновской гравитации путём ограничения скорости её распространения скоростью света, и сослался на Горькавого, сказавшего, что в этом случае Солнечная система бы развалилась.
        Горькавый, разумеется, прав, как и дедушка Лаплас, который это вычислил. Но это просто значит, что наивная теория, в которой есть только ньютоновская сила притяжения, не работает. А не работает она по той причине, что в ней не сохраняется импульс. Для исправления ситуации нужно вводить гравитационное поле, которое будет таскать энергию и импульс от одного тела к другому. Что, собственно, и сделал Эйнштейн.
        Поле Эйнштейна следует рядом с создавшим его телом при движении в пространстве, так же электростатическое поле летит рядом с создавшим его электроном, пока тот движется равномерно и прямолинейно. Если электрон ускорить, например, стукнуть, его поле оторвётся и улетит, а вокруг него постепенно отрастёт новое (на что нужно затратить дополнительную энергию в процессе ускорения). С гравитацией сложнее: из-за квадрупольности гравитационное поле отрывается от породившего его тела и превращается в гравитационную волну не просто от ускорения, а только от неравномерного ускорения этого тела.


        1. Shkaff Автор
          04.12.2018 10:14
          #19450190

          Хм, интересно, наверное, теперь у большего числа людей есть кнопка «пожаловаться»:)

          Понимаю, что kauri_39 заработал, кхм, определённую репутацию в околофизических статьях на хабре, но вопросы он часто задаёт правильные.

          Это да, меня не перестает удивлять — насколько мало людей умеют задать хороший вопрос, и насколько неадекватен результат в случае kauri_39.

          В потёртой ветке комментариев он задал интересный вопрос о наивной доработке классической ньютоновской гравитации путём ограничения скорости её распространения скоростью света, и сослался на Горькавого, сказавшего, что в этом случае Солнечная система бы развалилась.


          Ну гравитация все же ограничения скоростью света, как ни крути. Другое дело, насколько я понимаю, что чтобы ничего не разваливалось, нужно еще учесть релятивисткие поправки к запаздывающим потенциалам (и они перестанут запаздывать). Поэтому реальная скорость гравитации ограничена скоростью света, но «эффективная» оказывается бесконечной — планеты притягиваются всегда к реальному положению Солнца, а не положению в прошлом из аргумента Лапласа.


        1. ni-co
          04.12.2018 11:26
          #19450646

          "… поле отрывается от породившего его тела". Попахивает нобелем. :)


  1. Serge3leo
    04.12.2018 09:36
    #19450024
    +1

    Опечатка «… Они позволяют свету путешествовать в плече несколько раз эф...N$$...\mathcal{N}$\inline$ раз…


    1. Shkaff Автор
      04.12.2018 09:43
      #19450050

      Спасибо! Забавно, сколько человек прочитали, а вы первый обратили внимание:)


      1. CaptainFlint
        04.12.2018 11:38
        #19450722

        Заметили-то, думаю, многие (сложно не заметить это нагромождение символов), но неудобство отправки сообщений об опечатках создаёт барьерчик, который не всегда хочется преодолевать.


        1. Shkaff Автор
          04.12.2018 12:21
          #19450980

          Каюсь, хотел сделать покрасивше уже после вычитки, ну и «сделал»…


      1. ababich
        05.12.2018 09:38
        #19455660

        сколько человек прочитали, а вы первый обратили внимание:)


        А на это? :)

        «LIGO обладает невероятной чувствительностью: позволяет измерить относительное изменение длины плечей с точностью до 10-18 м. „


        1. Shkaff Автор
          05.12.2018 09:56
          #19455710

          А что не так?


          1. ababich
            05.12.2018 10:01
            #19455736

            может я слишком буквально понял термин «относительное»? Оно обычно безразмерное, а там метры почему-то…


            1. Shkaff Автор
              05.12.2018 10:07
              #19455770

              Ааа, в этом контексте «относительное» значит изменение длины одного плеча относительно другого. Это как противопоставление «абсолютной» длине, которую мы не знаем точно. Может быть, можно сформулировать получше, я подумаю.
              Это, увы, все артефакты того, что я не привык писать научные тексты по-русски… в английском это было бы relative change — и нет двусмысленности.


          1. ababich
            05.12.2018 10:06
            #19455762

            обычно ж писали, что чувствительность детектора 10-21 и как я понял это изменение длины плеча (плечей?) деленое на длину плеча


            1. Shkaff Автор
              05.12.2018 10:08
              #19455778

              Это то что называется strain. Оно да, безразмерное.


  1. Serge3leo
    04.12.2018 10:05
    #19450154

    При взгляде на диаграмму «Masses in the Stellar Graveyard» возникает два вопроса:

    1. А что у нас по абциссе? Фантазия художника или что-то реальное, но я просто не заметил описания?
    2. Массы компонентов обнаруженных пар ЧД отличаются максимум в 1,5 раза. Это эффект селекции правил детектирования или что-то иное?


    1. Shkaff Автор
      04.12.2018 10:36
      #19450298

      1. Ну это не график, так что оси абсцисс просто нет:) Просто визуализация списка ЧД по массам.
      2. Я думаю, связано с частотами: если бы одна масса была гораздо меньше второй, первая масса бы фактически просто быстро вращалась вокруг второй. Наверное, частота такого вращения за пределами видимого нами. Кроме того, нужны еще механизмы образования ЧД малой массы в паре Мы пока не знаем, как такие пары формируются, но один из вариантов — когда много ЧД малых масс сливаются в одну средней массы, а потом те формируют двойную.


      1. Serge3leo
        04.12.2018 12:29
        #19451036
        +1

        За фазу слияния не скажу, но на фазе сближения частота определяется эквивалентной чирп-массой, которая не сильно ж отличается от суммарной (для соотношения масс 1 к 3 чирп-масса уменьшится примерно на 20%). Другое дело амплитуда и, соответственно, связь частоты с красным смещением.

        Что до формирования пар, то тривиальные сценарии, типа совместной эволюции или гравитационного обмена/захвата, вроде как не должны выравнивать массы компонент. Например, если взглянуть на каталог «ЭМ чёрных дыр», то соотношение масс компонент с массой ЧД достаточно произвольно.

        Поэтому и возникло ощущение, что правила селекции событий LIGO/Virgo просто отсекают слияния столь асимметричных пар.


        1. Shkaff Автор
          04.12.2018 12:55
          #19451192

          Честно скажу, не знаю точно. Если посмотреть базы темплейтов, там довольно много вариантов с большим отношением масс. Например, для 150914 набор темплейтов:
          image

          Вообще, всем было же удивительно, что такие большие массы у ЧД. То, что я слышал недавно, один из вариантов происхождения ЧД таких масс: в большом компактном скоплении формируются ЧД малых масс, и постепенно «падают» к центру скопления, попутно сливаясь и наращивая массу. В итоге в центре скопления получается пара ЧД с массами в 20-30 солнечной, которые и сливаются.


  1. OverQuantum
    04.12.2018 11:57
    #19450844

    А что за узкие пики на Suspension thermal noise в районе ~500 Гц, а также ~950 и дальше?


    1. Shkaff Автор
      04.12.2018 12:22
      #19451002

      Механические моды более высоких порядков: кручения, наклона и т.п.


  1. Peacemaker
    05.12.2018 12:05
    #19456362
    +1

    Вы как хотите, а меня каждое подтверждение теорий относительности Эйнштейна расстраивает — получается, что мы обречены при космических путешествиях ограничиваться скоростью света, и даже до ближайших звёзд — годы пути…


    1. Shkaff Автор
      05.12.2018 13:51
      #19457008

      Это точно… Ну, по крайней мере в ОТО есть кротовые норы, которые могут позволить перемещения. И потом, мы точно знаем, что ОТО неполна — так как не включает в себя квантовую физику. Может быть, в объединенной теории будут какие-то другие варианты для путешествий.