Редактор GeekTimes
298,0
рейтинг
4 марта 2015 в 20:18

Обновлённый детектор гравитационных волн заработает в этом году


Место расположения детектора LIGO

Приближаются к завершению работы по обновлению оборудования на лазерном детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). В этом году должны начаться испытания, а на полную мощность проект планируют вывести не позднее следующего года. Обновлённый детектор получит в 10 раз большую чувствительность, чем первая версия, и по заверениям учёных, обнаружение гравитационных волн с его помощью «практически гарантировано».

Гравитационные волны были предсказаны ещё Эйнштейном век назад, но сначала многие учёные отвергали их существование, а затем долгое время считалось, что их в принципе нельзя обнаружить. Но к 1950-м годам наука, изучая поведение нейтронных звёзд и чёрных дыр, пришла к выводу, что такие волны должны существовать. Быстрое перемещение массивных объектов, например, система из вращающихся нейтронных звёзд, должна распространять такие волны. Эти волны должны немного искривлять пространство – и, замеряя это искривление, их теоретически можно обнаружить.

Детектор LIGO расположен в США, в штате Луизиана. Он представляет собой конструкцию из двух перпендикулярных туннелей, по которым распространяется излучение лазера. Луч лазера расщепляется делителем на два перпендикулярных луча, каждый из которых затем попадает в свой тоннель и многократно отражается от установленных там зеркал. Часть излучения возвращается обратно к делителю. Если длина обоих плеч остаётся постоянной, то возвращающиеся волны поступают обратно к лазеру. Но если их длина благодаря воздействию гравитационной волны вдруг станет отличаться, тогда волны интерферируют таким образом, что попадут в фотодетектор. И тогда – шампанское и нобелевка.


Схема работы LIGO

Впервые использовать оптический интерферометр (интерферометр Майкельсона) как детектор гравитационных волн предложили советские учёные М.Е.Герценштейн и В.И.Пустовойт в 1962 г. Затем американский профессор Рэйнер Вайс предложил увеличить эффективную длину плеч интерферометра за счёт многократных отражений оптического луча от зеркал, расположенных в каждом плече. То есть, пробежав плечо в 3 км туда и обратно сто раз, луч как бы совершит пробег 300 км. В результате, предложенный Вайсом детектор в состоянии измерять изменение длины одного из плеч на 10-18 м.


Профессор Вайс

Вооружившись этой идеей, в 1990 году Кип Торн и Роналд Древер из Калтеха и Рэйнер Вайс из МТИ убедили Национальный научный фонд в необходимости финансирования проекта. Строительство LIGO началось в 1994 году, а первые измерения стартовали в 2002.

Для обеспечения работы высокочувствительного прибора пришлось преодолеть множество трудностей. Чтобы исключить вибрации, которые наводит даже сам лазерный луч, зеркала пришлось сделать массивными (более 20 кг). Чтобы исключить низкочастотные вибрации – от сейсмической и приливно-отливной активности до влияния поездов на близлежащих железных дорогах, вся система подвешена на сложной конструкции, гасящей колебания.

Измерения длились 8 лет, но гравитационных волн зафиксировано не было, несмотря на то, что в период работы чувствительность комплекса была увеличена путём некоторых улучшений в два раза. Тогда комплекс был закрыт для масштабного обновления, которое планируют закончить в этом году.

Основным кандидатом на испускание гравитационных волн остаются двойные системы нейтронных звёзд. Первый LIGO мог засечь излучение звёзд, находящихся примерно в 50 миллионах световых лет от земли. Новая конструкция позволит увеличить чувствительность в 10 раз, по сравнению с предыдущей, и поэтому объём космоса, который ему доступен, увеличился в 1000 раз. По оценкам учёных, количество систем, существующих в таком объёме, должно обеспечить порядка 10 обнаружений волн в год.


Сравнение первой и второй версий

Есть и более амбициозный проект по обнаружению гравитационных волн – LISA (Laser Interferometer Space Antenna). По плану, этот интерферометр будут составлять три космических аппарата, выведенных в разные точки Солнечной системы. Они образуют треугольник со сторонами в миллионы километров, который станет самым чувствительным детектором из имеющихся у человечества. Но пока этот проект находится в стадии проектирования, и осуществиться он сможет не ранее 2034 года. Промежуточный проект, который продемонстрирует работоспособность системы, называется LISA Pathfinder – его запуск намечен уже на сентябрь 2015.
Вячеслав Голованов @SLY_G
карма
125,2
рейтинг 298,0
Редактор GeekTimes
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (25)

  • +3
    Надо отметить, что в Initial LIGO детектирование и не планировалось — это была «проба пера» и доказательство того, что такая чувствительность вообще достижима.

    Кстати, недавно вышел замечательный документальный фильм про LIGO:
  • 0
    А что даст если их измерят/найдут? Чтение вики не дало ответа.
    • 0
      Ну, во-первых, будет экспериментальное подтверждение теории. Во-вторых, по гравитационным волнам можно изучать например процесс слияния чёрных дыр.
    • +2
      И это вообще по сути единственный способ узнать и изучить слияние чёрных дыр, т.к. согласно одной забавной теореме «чёрная дыра не имеет волос». То есть по результирующей чёрной дыре невозможно определить, образовалась ли она в результате слияния, какой формы был объект, и тп. Черная дыра однозначно определяется всего тремя параметрами: массой, зарядом и угловым моментом.
      • 0
        Теоретически информация в чд не теряется. На практике ее извлечь практически невозможно.
        • 0
          А можно ссылки для newbie? Информацию с помощью излучения Хокинга можно получить, или как-то иначе?
          • +2
            Книжка есть. Называется «Битва при черной дыре».
            • 0
              Ага, именно она и подразумевалась.
    • +3
      По характеристикам излучения можно
      глубже понять структуру вселенной.
      отмести часть вариантов теории всего, которые не удовлетворяют наблюдениям
      и вообще в космологии это будет шаг покруче чем открытие и изучение микроволнового излучения (кста, его аналог должен существовать и в гравитационном излучении)
      получить сотни грантов на исследования, написать тысячи статей и защитить множество диссертаций.

      Мне достаточно легко представить, какой толчок физике даст изучение гравитационных волн, но я даже представить не могу что будет, если их не найдут после запуска LISA… Это как если бы на LHC не нашли хиггса за пару десятков лет исследований, перекрыв все возможные энергии.
      • 0
        Но, справедливости ради, косвенные доказательства все же уже имеются, даже на Нобелевку заработали изучением гравитационного излучения (aka волн) пульсара.
  • 0
    > В результате, предложенный Вайсом детектор в состоянии измерять изменение длины одного из плеч на 10-18 м.
    … что на три порядка меньше диаметра протона (0.84-0,88 фемтометра — 10-15 м.)
    • 0
      Так ведь это круто!
      • 0
        Но как они достигли такой точности? Листаю www.iitk.ac.in/celt/CELT/downloadables/QIP/Stan1/LIGO_Dr_Stan.pdf и удивляюсь 11 кг зеркалам, отполированным с точностью до долей нм (точнее 1/1000 длины волны) и мощным лазерам. (Осторожно, в графиках точность h 1/sqrt(HZ) указана относительная, для получения метров надо умножить на длину плеч.)
        • 0
          В Advanced LIGO зеркала 40 кг каждое (всего 4), мощность циркулирующего поля в резонаторах 840 кВ, ну и сами плечи по 4 км. Все вместе уже дает неплохую чувствительность, а дальше необходима изоляция от внешних шумов — стабилизация лазеров, сложная система сейсмической изоляции, увеличение добротности зеркал и подвесов и так далее…
  • 0
    >>поведение нейронных звёзд
    Любопытная опечатка у вас!
  • 0
    Хм. Будущий детектор масс для межгалактических космических кораблей…
  • 0
    >> Если длина обоих плеч остаётся постоянной, то возвращающиеся волны поступают обратно к лазеру. Но если их длина благодаря воздействию гравитационной волны вдруг станет отличаться, тогда волны интерферируют таким образом, что попадут в фотодетектор.

    Может волны и доходили, но
    1.
    Пучок испускается лазером, т.е. излучение когерентное и фотоны связаны, возможно воздействие на один пучок аналогично искажает второй.
    2.
    Пусть до LIGO дошла гравитационная волна. Но воздействие будет на оба луча, допустим волна идет параллельно одному и перпендикулярно другому, для параллельного пучка будет удлинение пути прохождения, а для перпендикулярного замедление времени. Воздействия же будут взаимокомпенсируемыми и время детектирования будет одним и тем же.

    • +1
      Так детектируется же движение зеркал, а не влияние на свет (которое вообще чрезвычайно мало). Плюс волна гравитационная квадрупольная, так что движение зеркал ассиметрично (не бывает такого, чтобы волна была параллельна одному плечу и перпендикулярна другому).
      • 0
        Неправильно понял текст. Спасибо.
    • 0
      У волны есть градиент, именно его и хотят обнаружить. Да и разные волны не могут идти постоянно перпендикулярно одному из лучей, это должно быть очень маловероятное исключение!
  • 0
    А объясните мне, с чего оно будет «длиннее»? Гравитационная волна не добавляет пространства в то место где она проходит, она его искривляет. Для понимания: нарисуйте на резинке 10 делений, потом её растяните — там появилось больше делений?

    В эксперименте два луча идут через одинаковое «количество» пространства, то что одно из них будет искривленно, на «количество» никак не повлияет. Луч пройдёт ровно столько же сколько и второй. Тоже самое и про зеркала, они тоже никуда не сдвигаются, так как расстояние внутри пространства не изменится.

    Наверное там всё-таки хотят засечь какой-то эффект, привносимый искривлением времени? Но тогда лучи надо разносить на большее расстояние друг от друга, а то попадая во фронт одной гравитационной волны на них будут накладываться одни и теже изменения. Почему фронт волны будет большим? Потому-что размеры объектов вызывающие значимые волны имеют большие размеры и находятся на гигантском удалении.
    • +1
      Пространство не удлинняется, изменяется метрика пространства-времени. Пространство именно что растягивается (или сжимается), а так как волна квадрупольная, искривление оказывается разным для двух плеч (если одно сжимается — то другое растягивается), и интерференционная картина меняется. В итоге измеряется, конечно, не удлиннение плеча, а смещение двух тестовых масс (в разных плечах) относительно друг друга.
      Есть эксперименты, пытающиеся измерить это растяжение не оптически, а механически — в тяжелых металлических болванках (антенны Вебера).
    • 0
      Гравитация отклоняет луч, принцип наблюдали например в гравитационной линзе. Пространства это не изменяет, но возникает искажение направления луча, вместе с его ускорением(замедлением) относительно наблюдателя. Именно этот момент они и пытаются обнаружить.
      • +1
        Нет, это не так. Как я написал выше — гравитация смещает массы относительно друг друга и это смещение видит детектор. Гравитационную линзу можно видеть у супермассивных объектов, и это статический эффект, в то время как гравитационная волна — эффект динамический, и чрезвычайно малый по сравнению со статической гравитацией. Гравитационное линзирование волной хоть и возможно, наверное, но оно будет столь слабо, что ни один детектор его не заметит.

        В английской википедии все хорошо расписано.
  • 0
    Странно, что не могут поймать на такой чувствительности. Вот у Стругацких в «Стажерах» стабильно ловили гравитационные волны :)

    — И как раз сейчас они собираются проводить интереснейший эксперимент. Они изучают распространение гравитационных волн. Вы знаете, что такое смерть-планета? Скалистый обломок, который в нужный момент целиком превращается в излучение! Чрезвычайно поучительное зрелище!


    Но у Стругацких тоже не все чисто, т.к. энергия излучения должна «весить» ровно столько же, сколько масса предмета, собственно E=m*с^2 об этом и никакой «волны» не будет.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.