Astronomiya

LIGO üçün cazibə dalğalarının aşkarlanma həddi nədir?

LIGO üçün cazibə dalğalarının aşkarlanma həddi nədir?

Bu gündən bəri cazibə dalğaları ilə birləşdirilən iki neytron ulduzu, LIGO detektorlarının əldə edə biləcəyi cari aşkarlama həddinin nə olduğunu düşünürdüm.

İlk müşahidə olunan cisimlərin 60 günəş kütləsindən çox kütləsi olan iki qara dəlik olduğunu və indi cəmi 3 günəş kütləsinin qarışıq kütləsi olan iki neytron ulduzu aşkar etdiklərini nəzərə alsaq, bu detektorların həqiqətən aşkar edə biləcəyi eşik nədir? .

Aydındır ki, orada bir-birinin ətrafında dövr edən daha böyük ulduzlar var, lakin ölçüləri və bir-birlərindən uzaqlığı cazibə dalğalarını aşkarlamağı çox çətinləşdirir. Bəs gələcəkdə hansı kütlələri və hansı məsafələrdə aşkarlanacağımızı gözləyə bilərik?


Qorxuram ki, bu düz deyil

Birləşən yığcam ikili (neytron ulduz və ya qara dəlik) cazibə dalğa gərginlik siqnalının amplitudası $$ h sim 10 ^ {- 22} sol ( frac {M} {2.8M _ { odot}} sağ ) ^ {5/3} sol ( frac {0.01 { rm s}} {P} right) ^ {2/3} left ( frac {100 { rm Mpc}} {d} right ), $$ burada $ M $ sistemin günəş kütlələrindəki ümumi kütləsi, $ P $ saniyələr içində ani orbital dövrü və $ d $ 100 Mpc məsafəsidir. $ h sim 10 ^ {- 22} $, LIGO-nun ən həssas olduğu yerdə (30-300 Hz tezliklərdə) cazibə dalğa gərginliyinə həssaslığı üçün ağlabatan bir rəqəmdir.

Beləliklə, müşahidə olunanlığı artırmaq üçün kütləni artıra, dövrü azalda və ya məsafəni azalda biləcəyinizi görə bilərsiniz.

Ancaq burada fəsadlar var. LIGO yalnız təxminən 30-300 Hz arasında həssasdır və GW frekanslarıdır iki dəfə orbital tezlik. Beləliklə, dövrü çox kiçik bir şeyə qısalda bilməzsiniz, çünki LIGO tezlik aralığının xaricinə düşəcək və kütləni kifayət qədər yüksək orbitə çatmadan birləşdikləri üçün artıq görünən qara dəliklərdən daha böyük bir şeyə qədər artıra bilməzsiniz. görülən tezliklər. (Birləşmə tezliyi $ propto M ^ {- 1} $).

Digər bir fəsad siqnalların təkamülünün aşağı kütlələrdə daha sürətli olmasıdır. Yəni - tezlik və amplituda dəyişiklik dərəcəsi ümumi kütlə ilə sürətlə artır. Bu səbəbdən son neytron ulduz birləşməsi LİGO tərəfindən 100-lərdə aşkar edildi, halbuki daha kütləvi qara dəlik birləşmələri yalnız 1 saniyə ərzində görüldü. Ancaq bunun mənası budur ki, səs-küy siqnalını yaxşılaşdırmaq üçün "əlavə edilə bilən" qara dəlik siqnalının daha az dövrü var, yəni daha yüksək kütlə mənbələri az Yuxarıda verdiyim düsturun sadə bir tətbiqindən daha çox aşkar edilə bilər. Digər bir mürəkkəblik, mənbənin və detektorların bir-birinə necə yönəlməsindən asılı olaraq bir həndəsi faktorun olmasıdır.

Tamam, bunlar komplikasiyadır, amma formul hələ də təxmini olaraq istifadə edilə bilər. Beləliklə, GW170817 siqnalını götürsək, ümumi kütlə təxminən 2.8M $ _ { odot} $, mənbə 40 Mpc idi, beləliklə 200 Hz tezliklərdə (0.01 s bir müddətə uyğun) gərginlik siqnalı gözləmiş ola bilərsiniz. təqribən $ 3 dəfə 10 ^ {- 22} $. Bu çox asanlıqla aşkar edilə bilən bir siqnal verdi. Kəşf kağızı (Abbot et al. 2017) algılama üçün "üfüq "ün LIGO-Livingston üçün təxminən 218 Mpc, LIGO-Hanford üçün 107 Mic olduğunu söylədi. Mənbə bu rəqəmlərdən daha yaxın olduğundan aşkarlamanın güclü olması təəccüblü deyil.

Yuxarıdakı düsturu və sabit bir orbital dövrü 0,01 s götürsək, üfüq məsafəsinin $ sim M ^ {5/3} $ kimi miqyas alacağını görə bilərik. Beləliklə, $ 10 M _ { odot} + 10 M _ { odot} $ qara dəlik ikili $ 218 dəfə (20 / 2.8) ^ {5/3} = 5.7 $ Gpc-ə qədər görünə bilər (bu a yuxarıda bəhs etdiyim birləşməyə doğru təkamülün sürət məsələsi səbəbindən bir neçə amil.

Daha ətraflı və texniki bir müzakirə burada oxuna bilər, baxmayaraq ki, bu bir neçə ildir köhnəlmişdir və bu hesablamalar aparıldığı vaxtdan bəri LIGO-nun əhatə dairəsi təxminən beş dəfə artırılmışdır.


Bu sənədin 1-ci şəkli, yığcam ikili birləşmə şablonları ilə bir axtarış götürərək, ümumi günəş kütlələrinin 1000 kütləsinə qədər daha böyük kütlə sistemləri üçün üfüq məsafəsini (SNR 8-də dairəvi şəkildə qütbləşdirilmiş yerüstü siqnalın aşkar ediləcəyi məsafəni) göstərir. Daha yüksək kütlələr üçün siqnal amplitudası ümumiyyətlə daha böyükdür, lakin daha aşağı tezliklərdə birləşirlər, beləliklə siqnallar detektorların həssas zolağında ümumiyyətlə daha qısadır. Qısa olduqları üçün, təəssüf ki, alət qüsurlarının siniflərinə daha çox oxşayırlar, buna görə də o qədər güclü deyillərsə (təxminən SNR 8 həddinin üstündə), fon səviyyəsi böyük ola bilər və daha aşağı əhəmiyyətə səbəb ola bilər. hər hansı bir namizəd.


LIGO üçün cazibə dalğalarının aşkarlanma həddi nədir? - Astronomiya

The Lazer İnterferometr Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanası (LİQO) kosmik cazibə dalğalarını aşkarlamaq və astronomik vasitə kimi cazibə-dalğa müşahidələrini inkişaf etdirmək üçün hazırlanmış geniş miqyaslı bir fizika təcrübəsi və rəsədxanasıdır. [1] ABŞ-da cazibə dalğalarını lazer interferometriyası ilə aşkar etmək məqsədi ilə iki böyük rəsədxana inşa edildi. Bu rəsədxanalar bir-birinə dörd kilometr məsafədə yerləşən, protonun yükləmə diametrinin on mindən birindən az bir dəyişiklik aşkar edə bilən güzgülərdən istifadə edir. [2]

İlkin LIGO rəsədxanaları Milli Elm Fondu (NSF) tərəfindən maliyyələşdirilib və Caltech və MIT tərəfindən düşünülüb, tikilib və istismar olunur. [3] [4] 2002-2010-cu illər arasında məlumatlar topladılar, lakin cazibə dalğaları aşkar edilmədi.

Orijinal LIGO detektorlarını inkişaf etdirmək üçün inkişaf etmiş LIGO Layihəsi 2008-ci ildə başlamış və Birləşmiş Krallıq Elm və Texnologiya Təsisləri Şurası, Almaniyanın Max Planck Cəmiyyəti və Avstraliya Tədqiqat Şurasının mühüm töhfələri ilə NSF tərəfindən dəstəklənməyə davam etmişdir. [5] [6] Təkmilləşdirilmiş detektorlar 2015-ci ildə işə başladı. Qravitasiya dalğalarının aşkarlanması 2016-cı ildə LIGO Scientific Collaboration (LSC) və Qızlar Collaboration tərəfindən bir neçə universitet və tədqiqat müəssisəsinin alimlərinin beynəlxalq iştirakı ilə bildirildi. Layihədə iştirak edən elm adamları və cazibə dalğa astronomiyası üçün məlumatların təhlili, dünyanın 1000-dən çox elm adamının, [7] [8] [9] və 440.000 aktiv Einstein @ Home istifadəçilərinin iştirak etdiyi LSC tərəfindən təşkil edilir. Dekabr 2016 [yeniləmə]. [10]

LIGO, indiyə qədər NSF tərəfindən maliyyələşdirilən ən böyük və ən iddialı bir layihədir. [11] [12] 2017-ci ildə Fizika üzrə Nobel Mükafatı Rainer Weiss, Kip Thorne və Barry C. Barish'a "LIGO detektoruna və cazibə dalğalarının müşahidəsinə verdiyi töhfələrə görə" verildi. [13]

Müşahidələr "qaçışlarda" aparılır. Dekabr 2019 [yeniləmə] etibarilə LIGO 3 qaçış etdi və 50 cazibə dalğası təsbit etdi. Dedektorların baxım və yeniləmələri qaçışlar arasında edilir. 12 sentyabr 2015 - 19 yanvar 2016-cı il tarixinədək davam edən ilk qaçış O1, ilk 3 təsbit etdi, hamısı qara dəlik birləşdi. 30 Noyabr 2016 - 25 Avqust 2017 arasında davam edən ikinci qaçış O2, 8 algılama, 7 qara dəlik birləşməsi və ilk neytron ulduz birləşməsi etdi. [14] Üçüncü qaçış O3, 1 aprel 2019-cu il tarixində başladı (bu günə qədər) 1 aprel-30 sentyabr 2019-cu ilədək O3a və O3b-ə, 1 noyabr 2019-cu ildən [15], Mart 2020-də dayandırılmasına qədər COVID-19-a. [16]


Qravitasiya dalğalarında bu qədər sərin nə var?

LIGO-nun cazibə dalğalarını birbaşa aşkar etməsi ilə əlaqəli ilk əhəmiyyətli şey, bunun ümumiyyətlə baş verməsidir.

Ancaq əvvəlcə bir az geri çəkək və Albert Einstein haqqında danışaq. O, kosmik hadisələrin oynadığı bir səhnə kimi sabit, sərt bir fon olmadığını da nəzərə alaraq kainat haqqında çox incə şeylər düşündüyü ağıllı bir adam idi. Bunun əvəzinə, Einstein kosmosun çevik olduğunu və içindəki obyekt və hadisələrin təsiri altında olduğunu göstərdi. Çox kütləvi cisimlər kosmosda əyrilər yaradırlar, bir boulinq topunun üstünə qoyulduğu zaman döşək əymələri kimi.

(Einşteyn də göstərdi ki, məkan və zaman bir-birinə bağlıdır və mdash hər ikisi də məkan-zaman adlandırdığı universal toxuma ipləridir. Bu münasibətləri qısalmaq üçün açıqlayacağıq.)

Bəs bunun cazibə dalğaları ilə nə əlaqəsi var? Kütləvi bir cisim məkan zamanını əyirsə, nəhəng bir cismin hərəkət etməsi məkan zamanında dalğalar yarada bilər. Gölün kənarında hərəkət edən, suyun səthindən dalğalar göndərən və ya barabana dəyən bir tokma səthində titrəmələr yaradan bir kanoeni düşünün.

Lazer İnterferometrinin Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanası, daha yaxşı LIGO olaraq bilinir, bu dalğaları məkan-zaman içərisində birbaşa aşkarlayan ilk təcrübə olduğundan, onların mövcud olduqlarına dair ilk birbaşa fiziki dəlildir. İlk aşkarlanması 2015-ci ilin sentyabrında, Einşteynin varlığını ilk dəfə proqnozlaşdırmasından 100 il sonra baş verdi. İnsanlar LIGO-nun cazibə dalğalarını aşkar etmək üçün istifadə etdiyi texnologiyanın ilkin sehrləri üzərində işləməyə başladıqları vaxtdan da 40 il keçir.

Beləliklə, kosmik zamandakı bu dalğalar Einşteynin nəzəriyyəsini təsdiqləyir (baxmayaraq ki, onun kifayət qədər hava keçirməməsi göstərilmişdi). Cazibə dalğaları keçmişdə ümumi nisbiliyin həddindən artıq bir nümunəsidir, bu həddindən artıq nümunələr nəzəri dünyada yalnız kağız üzərində mövcud idi. Məlumat hər zaman elm adamlarına kainat haqqında daha çox şey öyrənməyə kömək edə bilər və Einşteyn nəzəriyyəsinin düzəldilməsinə ehtiyac varsa (məsələn, kvant mexanikası ilə uyğunlaşdırmaq üçün), LIGO-nun harada tapa biləcəyi mümkündür. (LIGO-nun icraçı direktoru, LIGO-nun Einşteyn nəzəriyyəsində bu cür çatlaqları tapacağına və ya uçlarını itirəcəyinə şübhə etdiyini söylədi, ancaq bu bir ehtimaldır.)


Qravitasiya-Dalğa Astronomiyası üçün Parlaq Gələcək

Nə qədər sürreal görünsə də, cazibə dalğalarının aşkarlanması 2015-ci ilin sentyabrında ilk aşkarlanmadan yalnız beş il sonra adi bir hala gəldi. İndiki vaxtda 50 qravitasiya dalğası aşkarlanması ilə qara dəliklərin və neytron ulduzlarının populyasiyasını daha yaxşı öyrənə bilirik. kainat (bu xülasəyə bax). Əlavə cazibə dalğası aşkarlamaları da Ümumi Nisbilik Nəzəriyyəsi haqqında anlayışımızı artırır (bu xülasəyə baxın).

Cazibə-dalğa astronomiyasının gələcəyi, O3 müşahidə dövrünün ilk altı ayında 39 hadisə əlavə edildikdən sonra getdikcə daha ümidverici olur. O3 (O3b adlanır) ikinci hissəsinin təhlili hazırda davam edir və böyüyən cazibə dalğa keçici kataloqumuzu daha da genişləndirəcəkdir. O3-dən sonra, detektorlar dördüncü müşahidə qaçışı üçün vaxtında astrofiziki çatışmazlığı daha da artırmaq üçün əlavə mühəndislik inkişaflarına məruz qalacaqlar. İnstrumental təkmilləşdirmələri və yeni detektorların inşasını gözlədiyimiz müddətdə, cazibə dalğa cəmiyyəti kainat boyu qara dəliklərin və neytron ulduzların təbiətini araşdırmağa davam edəcəkdir.


Müşahidələr

İlk təsdiqlənmiş cazibə dalğa aşkarlanmasının siqnal izləri. Tapıntını qeyd edən köynəklər hazırlandı və bu müəllif xoşbəxtlikdən birini tapdı.

İlk birbaşa cazibə dalğası aşkarlanması, 14 sentyabr 2015-ci il tarixində, hər iki LIGO rəsədxanası tərəfindən aşkar edilmişdir. O vaxtdan bəri, COVID-19 tərəfindən məhdudlaşdırılmadan əvvəl 55 algılama meydana gətirən ən son müşahidələrlə daha çox uğurlu müşahidələr edildi. Birbaşa müşahidə ilə təsdiqlənmiş cazibə dalğalarının mövcudluğu ilə, hadisələri daha yaxşı başa düşmək üçün işlər davam edir. Hər bir aşkarlama fərqli bir ulduz hadisəsindən gəlir və oyundakı fiziki proseslərə daha çox işıq tutur. Hələ ən böyük aşkarlama, iki qara dəliyin birləşməsi səbəbindən 21 May 2019 tarixindən etibarən baş verdi. Verilənlər iki LIGO rəsədxanası və VIRGO adı ilə İtaliyada bənzər bir müəssisə arasında müşahidə olunan dalğaların mənbəyini dəqiq müəyyənləşdirməyə kömək etmək üçün müqayisə olunur.

Cazibə dalğalarını aşkar edə bilmək, ənənəvi optik və ya elektromaqnit astronomiya ilə əldə edilməsi çətin olan hadisələrin araşdırılmasına imkan verir.

LIGO-dan əvvəl, kainatda nə qədər ikili qara dəlik olduğunu həqiqətən bilmirdik və bunları həqiqətən görə bilməzsən & # 8230. LIGO-nun həssas olduğu şey, birləşdikləri son andır ... İkili qara dəliklərin paylanması ilə bir sıra yaxşı işlər görürük və kainat boyunca izotrop olaraq paylana bilər və ya müəyyən sistemlərdə daha çox qara dəlik ola bilər.

Daha çox ölçmə yuvarlandıqca və fiziki nəzəriyyələr inkişaf etdikcə, layihədən toplanan məlumatlar kainatın özünün quruluşuna dair daha çox məlumat verə bilər.

LIGO təcrübəsi, fizikanın qabaqcıl hissəsindəki hadisələri araşdırmaq üçün tələb olunan incəlik səviyyəsinə əla bir nümunədir. Tez-tez, təklif olunan nəzəriyyələr və bu vəziyyətdə müvəffəqiyyətli eksperimental təsdiqləmələr arasında böyük bir geriləmə var, cazibə dalğalarının birbaşa aşkarlanmasına qədər tam bir əsr keçdi. Kainatın sirlərini açmaq üçün çox çalışmaq lazımdır, lakin həmişə olduğu kimi, elm adamları bu problemə qalxmağa hazırdırlar.


Astronomiya

Qravitasiya dalğaları ilə yanaşı iki ikili neytron ulduz birləşdikdə güclü bir qamma şüasının çıxması gözlənilir. Bir inspiraldan cazibə dalğalarının aşkarlanması ilə üst-üstə düşən belə bir qamma şüasının aşkarlanması bu fərziyyəni təsdiqləyəcəkdir.

Qara dəliklərdən və / və ya neytron ulduzlarından ibarət ilham verən kompakt ikili fayllar, LIGO kimi birinci nəsil cazibə dalğa detektorları üçün ən perspektivli cazibə şüalanma mənbələrindən biridir. 10 7 illik zaman tərəzisində, kompakt bir ikili sistem, qravitasiya dalğaları yayaraq enerjisini itirir və komponentlərinin bir-birinə spiral gətirməsinə səbəb olur. Yörünge büzüldükcə daireselləşir və dövr azalır. LIGO ilə bu ilhamın son on saniyəsi boyunca çıxacaq cazibə dalğalarını axtarırıq. Ulduzlar bir-birinə dalmadan əvvəl saniyədə yüzlərlə dəfə onlarla km məsafədə dövr edir. Birinci nəsil dedektorlar, həqiqi nisbət bilinməsə də və daha aşağı ola bilsə də, təxmin edilən nisbətdə hər 1,5 ildə bir dəfə yüksək ola bilən təxminən 20 Mpc-ə qədər siqnal-səs-küy nisbəti ilə ikili neytron ulduz sistemlərini müşahidə edə bilər. .

Neytron ulduzu və # 8211 qara dəlik (NS-BH) ikili birləşməsinin qısa sərt qamma şüalarının ən perspektivli əcdadı olduğuna inanılır. Bir GRB ilə əlaqəli cazibə dalğalarının birbaşa aşkarlanması, bu sərt GRB mənşəyinin uzun müddətdir davam edən sirrini həll edərək bu fərziyyə üçün inandırıcı bir sübut təmin edəcəkdir. Lakin bu cür sistemlərdən gələn cazibə dalğalarının mürəkkəb olması ehtimalı böyükdür. Bir NS-BH ikiliyinin orbital bucaq impulsunun qara dəliyin spininə qoşulması ikili ikiqat bir-birinin ardınca getməsinə səbəb olur. Nəticədə dalğa formasının modulyasiyası, dalğa forması parametr sahəsinin ölçüsünü böyüklük dərəcəsi ilə artıraraq aşkarlama üçün əhəmiyyətli çətinliklər yaradır.

LSC / Qız Compact Binary Coalescence Group, uyğun filtr üsulları ilə inspiral mənbələrin yaratdığı cazibə dalğalarının axtarışından məsuldur. Syracuse qrupunun üzvləri, alqoritmləri inspiral siqnallar üçün cazibə dalğa detektor səs-küyündən süzmək, istifadə etmək və algılamadan əldə edilə bilən nisbi və astrofizikanı öyrənmək, hazırlamaq, tətbiq etmək üçün Kompakt İkili Coalescence Qrupunun digər üzvləri ilə əməkdaşlıq edirlər. Xüsusilə yuxarıda göstərilən iplik ikili faylları üçün axtarış texnikalarını inkişaf etdirməklə yanaşı ikili neytron ulduzu və ikili qara dəlik axtarışlarına da töhfə verməklə maraqlanırıq.


Elm adamları Astronomiyada Qravitasiya Dalğalarının və Herald Yeni Dövrün Sensasion Əşyası olduğunu iddia edirlər

Hanford, Vaşinqtonda Lazer İnterferometr Qravitasiya dalğa Rəsədxanası. Kredit: Caltech / MIT / LIGO Laboratoriyası

6 may 1981-ci ildə fiziklər Kip Thorne və Jeremiah Ostriker bahis etdilər * . Yerdən kənar cazibə dalğaları 2000-ci il yanvarın 1-dən əvvəl ən azı iki eksperimental qrup tərəfindən aşkarlansaydı, Thorne bahis və qırmızı şərab davasını qazanardı. Əgər olmasaydı, Ostriker-də olardı. Olduğu kimi, Thorne yalnız 16 il daha gözləməyə qərar versəydi, qələbə qoxusunu alırdı.

11 Fevralda DC-də, Washington-da keçirilən bir mətbuat konfransında, elm və mühəndislərin qlobal bir iş birliyi, yer-zaman toxuması içərisində uçan enerji cazibə dalğaları, dalğaları aşkar etdiklərini rəsmi olaraq elan etdi.

Pensilvaniya Dövlət Universitetinin Qravitasiya Fizikası və Həndəsəsi İnstitutunun direktoru Abhay Ashtekar, "LIGO elm əməkdaşlığı tərəfindən ilk birbaşa cazibə dalğalarının aşkarlanması, kainat üzərində yeni bir pəncərə açdığı üçün nəfəs kəsən bir kəşfdir" dedi. "Bu, kainatın ən uzaq bölgələrindən adi astronomiya ilə əldə edə bilmədiyimiz sirləri ortaya qoyacaqdır."

Neytron ulduzlarının və qara dəliklərin necə inkişaf edib birləşdiyini daha yaxşı başa düşməkdən başqa, tapıntı astronomların Albert Einstein & # 8217s ümumi nisbilik nəzəriyyəsi ilə söylədikləri proqnozlarla müqayisə etməsinə imkan verəcəkdir. Bir sözlə, bu cür tədqiqatlar nəzəriyyənin mükəmməl bir cazibə mənzərəsi təqdim edib etmədiyini müəyyənləşdirməyə kömək edəcəkdir. İlk dəfə 100 il əvvəl nəşr edilmişdir.

Bəyannamədən əvvəlki ayda, aşkarlamanın təfərrüatlarına dair şayiələr gəzintiləri davam etdirirdi və tez-tez İngiltərənin Astronomu Royal "böyük" Martin Rees olaraq qəbul edildi və bunun on ilin & # 8220 elmi məqamı olacağını yazdı. # 8221. Gələcəkdə digər təcrübələr tərəfindən təsdiqlənərsə - işbirliyi çox etibarlı bir nəticəyə sahib olmasına baxmayaraq - 11 fevral 2016-cı il, cazibə dalğa astronomiyası dövrünün ilk günü ola bilər.

Və GW150914 olaraq təyin olunmuş müşahidənin aparıldığı vaxt, 14 sentyabr 2015-ci il tarixində, saat 15.21-də, IST, Hanford, Washington və Louisiana'daki Livingston'daki əkiz Advanced Laser Interferometer Cazibə dalğa Rəsədxanaları (aLIGO) tərəfindən edildi. Rəsədxanalar ABŞ Milli Elm Fondu tərəfindən maliyyələşdirilir. Onların iş prinsipləri 1980-ci illərdə Thorne, Rainer Weiss və Ronald Drever tərəfindən formüle edilmiş fikirlərə əsaslanır.

Kainatdakı nəhəng cisimlərin cazibə qüvvəsi, ətrafdakı məkan-vaxtı deformasiya edir. Ətrafdakı digər cisimlərin hərəkəti bu deformasiyadan təsirlənir və bunu cazibə qüvvəsi kimi hiss edirlər. Einşteynin və digər bir qrup riyaziyyatçı və fizikin 20-ci əsrin əvvəllərindəki işləri, cazibə qüvvəsinin işləmə yolu kimi bu mənzərəni aydınlaşdırmağa kömək etdi.

Bununla birlikdə, kütləvi cisimlər sürətləndikdə, zahirdə və bütün kainatda yayılmış məkan zamanında narahatlıqlar ortaya qoyacağını proqnozlaşdıran Einşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi idi. Bu narahatlıqlar cazibə enerjisini itirən cisimlərin təzahürüdür və enerji cazibə dalğaları şəklində aparılır. Dalğalar davamlılıqdan keçərkən keçdikləri bölgələrdəki məsafələri müvəqqəti olaraq təhrif edirlər.

LIGO layihəsi 1992-ci ildə bu keçid pozuntularını aşkar etmək üçün qurulmuş və 2014-cü ilə qədər daha həssas bir 'Advanced' avatarı aLIGO-ya yüksəldilmişdir. Rəsədxanalarının hər biri ortaq bir dizayna sahibdir: bir vertexdə birləşdirilmiş iki uzun tunel 'L'. Zirvədəki bir qaynaq hər tuneldə lazer nəbzini vurur və sonunda güzgü ilə əks olunmalarını gözləyir. Nəbzlər yenidən toplandıqda, dedektor tərəfindən qeyd olunan bir müdaxilə nümunəsi meydana gətirirlər. Cazibə dalğası olmadıqda, müdaxilə tamamilə dağıdıcıdır və detektor boşluq çəkir.

Bir cazibə dalğası aLIGO-dan keçəndə müvəqqəti olaraq (və növbə ilə) büzülür və qolların uzunluğunu kiçik bir miqdarda genişləndirir. Nəticədə lazer zərbələrindən biri digərinə nisbətən daha uzun bir məsafə qət etməklə başa çatır. Yenidən toplandıqda, bir nəbz digərinə nisbətən biraz kənara çıxır və müdaxilə dağıdıcı deyil. Dedektor bir müdaxilə nümunəsi verir. 11 Fevral elanına görə, 14 sentyabr 2015-ci ildə baş verənlər budur.

Georgia Texnologiya İnstitutunda Sayısal Nisbilik qrupu tərəfindən GW150914 simulyasiyası.

Yayımlanan məlumatlara görə, dalğalar, ehtimal ki, 1,2-1,3 milyard işıq ili uzaqlıqdakı bir cüt qara dəlikdən yaranıb. Bir-birinin ətrafında dövr edir, saniyədə 180 milyon metr sürətə çatırdılar və nəticədə birləşərək daha böyük bir qara dəlik yaratdılar. Başlanğıcda 29 və 36 günəş kütləsi çəkirdilər, nəticədə yaranan canavar 62 günəş kütləsi idi. Qalan 3 günəş kütləsi (178,7 milyard trilyon trilyon trilyon enerji enerjisinə bərabərdir) birləşmə və sonrakı ringdown zamanı, nəticədə sabit bir forma əmələ gəlməsi üçün yerləşmiş zaman cazibə dalğaları kimi sərbəst buraxıldı. Bütün hadisə bir neçə saniyəni əhatə etdi, yəni Thorne-ın mətbuat konfransı zamanı təsəvvür etdiyi kimi - güc çıxışı kainatdakı bütün ulduzların çıxışı ilə müqayisədə 50 dəfə çox idi.

& # 8220Mənim üçün ən maraqlısı budur ki, siqnal təxminən 1.3 milyard il əvvəl yayıldı. O dövrdə Yer üzündə böyük bir həyat forması yox idi. Siqnal 1,3 milyard il boyunca getdi və yarım saniyədən az müddətdə Yer üzündən keçdi. & # 8221, Georgia Texnologiya İnstitutunun PhD namizədi və LIGO iş birliyinin analitiki Karan Jani dedi.

Kanadanın Hamilton, McMaster Universitetinin nəzəri bir fiziki olan Clifford Burgess, tələbələrinə göndərdiyi bir elektron poçtda - nəhayət İnternetdə yayılan - aLIGO-da qeyd olunan siqnalların 5-dən çox statistik əhəmiyyətə malik olduğunu elan etmədən əvvəl sızmışdı. sigma. Bu, algının saxta bir siqnal olduğu ehtimalının ən çox 3.5 milyondan 1-i olduğu, fiziklər arasında bir kəşfə iddia edə biləcəkləri deməkdir.

Elanı müşayiət edən nəticələrin bir xülasəsi olaraq qeyd olundu: & GW150914 qədər güclü bir hadisənin təsadüfən belə məlumatların 200.000 ilində yalnız bir dəfə meydana çıxacağını gözləyirik. & # 8221

Təbiətdəki dörd əsas qüvvə səbəbindən cazibə qüvvəsi ən zəif olduğu üçün təsbit edilməli olduğu müddət çəkdi. Nəticə etibarı ilə bir cazibə dalğasının təsiri də son dərəcə kiçikdir və ona həssas alətlərin tutulması lazımdır. Eyni zamanda, hər hansı bir cazibə dalğa detektorunun, ən azı aşkar etdiyi dalğanın mənbəyi qədər böyük olması lazımdır.

Bir-birinin ətrafında dövr edən iki qara dəlik parçalanmadan əvvəl yalnız bir neçə kilometr məsafədə ayrıldığından, aLIGO & # 8217s qolları 4 km uzunluqdadır və mükəmməl bir vakuumla qorunur. Lazerlər və detektorlar, 10-20 metrlik bir sıra boşluq uzunluğundakı dəyişiklikləri götürəcək şəkildə qurulmuşdur - bu, hidrogen atomunun nüvəsindən təqribən 10.000 dəfə kiçikdir. Bu cür həssaslıq dedektorların da ətrafdakı səthdə hərəkət edən nəqliyyat vasitələrindən, yeraltı kiçik seysmik narahatlıqlardan, qədim kosmik hadisələrin geridə buraxdığı narahatlıqlardan və başqa məqsədlər üçün digər fəaliyyətlərdən çox səs-küy alması deməkdir. 8217t narahat etmir.

Yəni belə bir vicdanlı təsbit edildikdə, elm adamları detektorlar tərəfindən qeyd olunan səs-küy dənizində bunu görmək üçün inkişaf etmiş məlumat filtrləmə üsullarını tətbiq etməli olacaqlar. Boston, Massachusetts Texnologiya İnstitutunun LIGO Laboratoriyasında çalışan bir texnik tek Satya Mohapatra, əməkdaşlıq içərisindəki fərqli qrupların, "potensial cazibə dalğa siqnalını təsir edə biləcək fərqli səs-küy mənbələrini xarakterizə etmək üçün LIGO alətlərindəki minlərlə kanalı" araşdırdığını izah etdi. Əlavə qruplar, qara dəlik birləşmələri xaricindəki mənbələrdən qaynaqlanan cazibə dalğalarının daha yaxşı süzülmələri üçün necə görünəcəklərini də araşdırdılar.

Mənbə: LIGO / Georgia Technology Institute

Mohapatra, "İki qara dəliyin toqquşmasından yaranan cazibə dalğasının dəqiq forması, ümumi nisbi nisbilik çox qeyri-xətti bir nəzəriyyə olduğu üçün 2005-ci ilə qədər tutulmaz qaldı." O il "iki qara dəliyin birləşməsinin ilk tam simulyasiyası Frans Pretorius tərəfindən göstərildi." Pretorius indi Nyu-Cersi Princeton Universitetinin fizika professorudur.

Ancaq bu yolun sonu deyildi. “Qara dəliklərin və neytron ulduzlarının da spinləri var. Beləliklə, kütlələrin və spinlərin fərqli birləşmələri üçün dalğa formalarının formaları hamısı simulyasiya edilməmişdir ”dedi Mohapatra. Beləliklə, 11 fevral elanı ədədi astrofizikada böyük irəliləyişlərin nəticəsi oldu.

Cazibə dalğalarının mövcudluğu 1970-ci illərdən etibarən Massachusetts-Amherst Universitetindən iki astronomun, orbitləri Eynşteyn tənliklərinin ümumi nisbilik üçün proqnozlaşdırdığı sürətlə azalan bir-birinin ətrafında dövr edən bir cüt neytron ulduzunu kəşf etdiklərindən etibarən təmin edildi. Astronomlar, neytron ulduzlarının cazibə enerjisini itirdiyini - ehtimal ki, cazibə dalğaları yayaraq əlaqə qurduqlarına görə 1993-cü il fizika üzrə Nobel mükafatını qazanacaqlar.

Beləliklə, həyəcanın böyük bir hissəsi dalğaların nəhayət birbaşa aşkarlandığı üçün deyil, dalğaların özlərinin sirli mənbələrini daha dərindən araşdıran bir alətimiz olduğuna görədir.

Məsələn, Einşteyn ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin kainatdakı cazibə davranışını necə izah edə bildiyindən məmnun olsa da, bunun birbaşa nəticələrindən biri ilə qaradərililərdən razı deyildi. Təbiətin bu qəribə yerlərinin məkan zamanını özlərinə elektromaqnit şüalanma bükülənə qədər təhrif etmə qabiliyyəti, elektromaqnit şüalanma istifadə edərək ‘görən’ teleskoplardan istifadə edərək onları öyrənməyi çox çətinləşdirdi.

Cənub səmasında GW150914-un cazibə dalğalarının yarandığı mümkün sahələr & # 8217ve. Rənglər özünə inam aralıqlarını təmsil edir, bənövşəyi birləşmənin daxilindəki boşluq həcmində baş vermə ehtimalı 90%, sarı isə 50% -dir. Mənbə: LIGO / Georgia Technology Institute

Digər tərəfdən, cazibə dalğa rəsədxanaları, Riyaziyyat Elmləri İnstitutunun professoru Chennai Ghanashyam Date-ə görə, hər şeylə birləşən və maskalana bilməyən cazibə təbiətindən istifadə edərək ‘eşidirlər. Dalğaları daha yaxşı aşkar etmək və araşdırmaq üçün ALIGO kimi detektorları konfiqurasiya etmək, kosmosun araşdırılması üçün yeni bir yol açır. Kaliforniya Texnologiya İnstitutu, LIGO Laboratoriyasının icraçı direktoru David Reitze'nin mətbuat konfransında dediyi kimi, & # 8220Bu, kainat bizimlə ilk dəfə cazibə dalğaları ilə danışır. & # 8221

Birincisi, ümumi nisbilik cazibə dalğalarının işıq sürətində yola çıxacağını proqnozlaşdırır, yəni cazibə enerjisi daşıyan fərziyyələrin - qravitonların kütləsi olmamalıdır. GW150914-dəki dalğalar Louisiana və Washington detektorlarına bir saniyənin yeddi mindən birinin arasına gəldi, işığın eyni məsafəni qət etmə vaxtına uyğun gəldi.

Lakin gələcəkdə dalğaların daha yavaş keçdiyi aşkar edilərsə, nəzəri fiziklər yeni hissəcik cazibə fikirləri üçün atalar sözünün çəkildiyi lövhəyə qayıtmalı olacaqlar.

Başqa bir vəziyyətdə, indiki LIGO nəslinin cazibə dalğalarına nə qədər həssas olduğunu nəzərə alsaq, astronomlar müxtəlif kütlələrin neçə dəlik olduğunu və birləşmə kimi gərgin hadisələrdə nə qədər iştirak etdiklərini də ölçə bilərlər. "Astrofizikadakı qara dəliklərin iki həddindən artıq sinifə aid olduğu düşünülürdü - ağırlığı 20 günəş kütləsindən az olan ulduzlu qara dəliklər və milyonlarla milyard günəş kütləsi olan qalaktikaların mərkəzlərində olanlar" dedi. Bu qara dəliklər üçün adi teleskoplardan da əlamətdar dəlillər mövcuddur - bu da mövcud aşkarlamanı daha az ehtimal edən bir şeydir.

Jani, "Bu cür kütlələrin qara dəliklərinin kainatda mövcud olub-olmayacağına dair güclü astrofizik sərhədlərimiz yox idi" dedi. Bir vasitəçi 50-10.000 günəş kütləsi çəkirlər və teleskoplarla çox öyrənilməyiblər. Ancaq LIGO-da ‘ən yüksək’ siqnalları yaradırlar. "[Bu tapıntı] ilə ara kütlədən bir qədər yüngül olan qara deliklərlə, indi kainatdakı qara dəliklər üçün düz bir sıra kütlələrə sahibik" dedi Jani.

Hal-hazırda beş qravitasiya dalğası rəsədxanası var: ikisi ABŞ-da, hər biri İtaliyada (Qız Qız), Almaniya (GEO600) və Yaponiyada (KAGRA). Yapon rəsədxanası fərqli bir aşkarlama texnikasına malikdir. Bu arada Amerika və Alman rəsədxanaları, göyün təxminən bir neçə yüz dərəcəsini görməyən bir rəsədxana şəbəkəsi meydana gətirir. Yəni, şəbəkə cazibə dalğalarının mənbəyini bu səmanın yamağından təyin edə bilməyəcək.

Mövcud cazibə dalğa detektorlarının yerləşdiyi yerlər və Hindistanda bir LIGO-nun nə qədər uzaq olacağı. Mənbə: LIGO

Jani, iki Amerika rəsədxanası tərəfindən qeyd olunan GW150914 kontekstində izah etdiyi kimi: müşahidə etdiyimiz cazibə dalğaları və # 1,2 milyard işıq ilindən uzaqlaşdı. Hər biri Günəşin kütləsindən təxminən 30 qat çox olan iki qara dəliyin kütləsinə əsaslanaraq, çox ağır ulduzların təkamülü nəticəsində meydana gəlməlidir. Bu, qara dəliklərin bəzi ev sahibi qalaktikada yerləşməsini nəzərdə tutur, ancaq onu tapmaq çətindir. & # 8221

ALIGO şəbəkəsinin bu mənada daha yaxşı olması üçün bir çox yeniləmə təklif edilmişdir. Bunlardan biri Günəşin bərabər tərəfli üçbucaqda dövr etdiyi üç kosmik gəmidən ibarət olan İnkişaf etmiş Lazer İnterferometr Uzay Antenasıdır (ELISA). Aralarındakı məsafələrə görə ELISA çox böyük mənbələrdən cazibə dalğaları axtara biləcək. 2034-cü il buraxılışı ərəfəsində, LISA Pathfinder adlı bir sınaq missiyası 3 dekabr 2015-ci ildə başladıldı.

Digəri Hindistanda bir ALIGO-dur. Universitetlərarası Astronomiya və Astrofizika Mərkəzindən Tarun Souradeep-ə görə, Pune, yerləşməsi aLIGO şəbəkəsinin göz nöqtəsini böyüklük dərəcəsi ilə azaldacaq. Təxminən 1 milyon 500 milyon Rupiya dəyəri olan layihə, Atom Enerjisi Departamenti tərəfindən maliyyələşdirilir və 12-ci Beşillik Planında əvvəlki Planlaşdırma Komissiyasından icazə aldı. Hal-hazırda Birlik Kabinetindən icazə verilməsini gözləyir.

Bu vaxt, aşkarlanmasını təsdiqləyən gələcək testləri gözləyən ALIGO elanı şübhəsiz Nobel anıdır. Nə üçün şübhə doğuran, nəticədə Nobel mükafatının kimə baxmayacağı ilə nəticələnəcəkdir. LIGO Scientific Collaboration, 19 ölkədən 1000-dən çox elm adamını əhatə edir, 250-dən çox tədqiqat institutu texnologiyanın inkişafı və nəticələrin təhlili ilə məşğul olur. Rəsədxanalar Massachusetts Texnologiya İnstitutu, Boston və Kaliforniya Texnologiya İnstitutu tərəfindən idarə olunur.


Elm adamları ilk birbaşa cazibə dalğalarını aşkarlayırlar

MIT News ofisinin veb saytında yükləmək üçün şəkillər Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives lisenziyası əsasında qeyri-kommersiya qurumları, mətbuat və geniş ictimaiyyətə təqdim olunur. Təqdim olunan şəkilləri ölçüsünə görə kəsmək xaricində dəyişdirə bilməzsiniz. Şəkillər aşağıda göstərilmədiyi təqdirdə görüntülər çoxaldılarkən kredit xəttindən istifadə edilməli, şəkillər "MIT" -ə yazılmalıdır.

Previous image Next image

Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects.

Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe.

But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now.

The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole.

“We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”

By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc 2 — in the form of gravitational waves.

“Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.”

These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins.

“It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.”

The new results are published today in the journal Physical Review Letters.

“Magnificently in alignment”

The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993.

Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington.

Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument.

“You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.”

Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them.

“The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.”

Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes.

“We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.”

For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe.

“This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.”

Tiny detection, massive payoff

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s.

“This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.”

“The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.”

The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.”

“In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.”

As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff.

“This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.”


Videoya baxın: Ağırlıq cazibə qanunu (Sentyabr 2021).