Интерферометр LIGO

Интерферометр LIGO

Интерферометр LIGO, Хэнфорд

LIGO – коллаборация, которая возникла вокруг эксперимента по поиску гравитационных волн. Основным инструментом коллаборации LIGO является одноименный инструмент – интерферометр LIGO, что расшифровывается как «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Коллаборация объединяет в себе группу исследователей из 40 научно-исследовательских учреждений всего мира, а также еще 600 отдельных ученых, которые проводят анализ данных, полученных интерферометром. Примечательно, что в проекте принимают участие и две российские группы: академика РАН Александра Сергеева (с 2015 г. Профессор ННГУ), и профессора МГУ Валерия Митрофанова.

История создания

Материалы по теме

Гравитационные волны

Впервые о гравитационных волнах говорил Альберт Эйнштейн в 1916-м году, в свой работе по общей теории относительности (ОТО). Однако на тот момент человечество не имело достаточное технологическое развитие, чтобы организовать эксперимент по поиску гравитационных волн. В 1990-х при наблюдении за пульсаром PSR B1913+16, представляющим собой систему двух звезд, ученые обнаружили, что орбитальный период обращения этих звезд сокращается на 76 мкс в год. Данная величина точно предсказывается решением уравнений ОТО для звезд, теряющих энергию на гравитационное излучение. Таким образом результаты исследования стали положительным аргументом в пользу существования гравитационных волн, а американские физики Рассел Алан Халс и Джозеф Тейлор младший получили нобелевскую премию в 1993-м году.

Годом ранее три доктора физики предложили проект по разработке интерферометра с целью поиска гравитационных волн: американец Кип Торн (известный общественности также по должности научного консультанта и исполнительного продюсера кинокартины «Интерстеллар»), шотландец Рональд Древер и американец Райнер Вайсс (специалисты в области лазеров).

Рональд Древер, Кип Торн, Райнер Вайсс

Рональд Древер, Кип Торн, Райнер Вайсс — основатели проекта LIGO

Разработка проекта и осуществление проекта велась двадцать лет. В течение этого времени исследовались различные варианты конструкций интерферометров. Проект был профинансирован американским Национальным научным фондом, и обошелся в 365 миллионов долларов – самый дорогой проект, финансируемый данным фондом. Постройка интерферометра LIGO была завершена в 2002-м году и в августе того же года обсерватория начала наблюдение.

Цели и задачи LIGO

Основная задача коллаборации состояла в поиске гравитационных волн. Источником таких гравитационных колебаний могут быть двойные системы массивных тел. Например, нейтронные звезды, которые сталкиваются, либо обращаются вокруг друг друга по эллипсовидным орбитам, сверхновые, а также сталкивающиеся черные дыры. Также источниками гравитационных волн могут быть вспышки сверхновых вблизи пульсаров. Именно эти объекты и стали основными предметами наблюдения исследователей из коллаборации LIGO.

Гравитационные волны черных дыр

Излучение гравитационных волн при сближении черных дыр

Помимо самого поиска колебаний кривизны пространства-времени – гравитационных волн, результаты наблюдений обсерватории могут дать положительные знания в области космических струн или оценить величину спина гравитона – частицы-переносчика гравитационного взаимодействия.

Устройство интерферометра LIGO

Масштабы данной обсерватории можно сравнить с размером всего США, так как две основные составные интерферометра расположены на противоположных концах США, на расстоянии 3 002 км друг от друга. Первое здание обсерватории находится в городе Ливингстон (Луизиана), второе же – в городе Хэнфорд (штат Вашингтон). Сделано это по той причине, что два столь удаленных интерферометра способны уловить гравитационную волну (вероятно движущуюся со скоростью близкой к скорости света) с разницей всего в 10 миллисекунд. Однако такой разницы достаточно, чтобы определить положение источника относительно Земли, а также исключить всякого рода земные источники, если такие вообще возможны.

Расстояние от г. Хэнфорд (штат Вашингтон) до г. Ливингстон (Луизиана)

Расстояние от г. Хэнфорд (штат Вашингтон) до г. Ливингстон (Луизиана)

Конструкция каждой обсерватории интерферометра состоит, прежде всего, из Г-образной системы из двух четырехкилометровых трубок с высоким вакуумом внутри. Через эти трубы лазером пропускаются пучки электромагнитного излучения с определенной частотой (длиной волны). Далее в месте соединения труб эти пучки пересекаются, накладываются и образовывают заранее известную «интерференционную картину». В случае же, если гравитационная волна пройдет через данную конструкцию, благодаря таким образом искажению пространства-времени, длина одного плеча конструкции увеличится втрое, а другого – уменьшится втрое. Это приведет также к изменению интерференционной картины, что и станет индикатором гравитационной волны. Результаты такого наблюдения будут сравниваться с другой составной интерферометра LIGO для дальнейшего определения положения источника относительно Земли.

Модель интерферометра LIGO

Модель устройства интерферометра LIGO

Открытие гравитационных волн

Над поиском гравитационных волн трудилась не только коллаборация LIGO, расположенная в СШа, но европейская коллаборация VIRGO. В распоряжении второй также имеется достаточно мощный детектор, хоть несколько меньший (каждое плечо интерферометра – 3 км). Для более эффективной обработки информации, получаемой с интерферометров, две данные коллаборации договорились о совместном анализе данных.

11 февраля 2016 года обе коллаборации объявили о прямом детектировании искомых гравитационных волн, которое произошло 14 сентября 2015 года. Данное событие было названо GW150914, что расшифруется как гравитационная волна (gravitational wave) + год, месяц и число регистрации события. Сигнал был зарегистрирован 14.09.2015 в 9:50 UTC, сперва детектором LIGO в Ливингстоне, а спустя всего 7 миллисекунд – детектором в Хэнфорде. Поступивший сигнал был дважды обработан программами, после чего, спустя три минуты, уведомление о сигнале пришло на почту итальянского постдока (советский аналог данной степени — «кандидат наук») по имени Марко Драго, который работает в институте гравитационной физики Общества Макса Планка, расположенного в Ганновере, Германия. Итальянец оповестил своего сотрудника, также постдока из Ганновера – Эндрю Лундгрена. Спустя 15 минут оба научных сотрудника позвонили непосредственно в центры управления экспериментом, расположенные в Ливингстоне и Хэнфорде. В 11:00 UTC Марко Драго разослал сообщения с уведомлением о получении сигнала по всей коллаборации LIGO.

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал[1].

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал.

Дальнейшая ручная обработка сигнала продлилась с 18-го сентября по 5-е октября. Вместе с этим был запущен поиск других индикаторов сигнала, так, например нейтринные всплески обнаружены не были, а вот коллаборация Fermi отметила слабую вспышку рентгеновского излучения, возможно связанную с событием.

Параметры события и дальнейшая судьба LIGO

Кратко говоря о событии GW150914, зарегистрированным интерферометром LIGO, можно сказать, что оно не только подтвердило существование гравитационных волн, но также стало долгожданным доказательством существования черных дыр. Дело в том, что источником излучения гравитационных волн были две черные дыры (на расстоянии 0,8 – 2 млрд св. лет от Земли), которые в результате столкновения объединились в одну, при этом объем выделенной энергии (перешедшей в гравитационное возмущение) равен трем массам Солнца. Длительность сигнала составила всего 0,2 секунды, однако столь мощное событие заметно выделилось на фоне различных шумов (соотношение сигнал-шум 24:1).

В результате открытия ученые коллаборации LIGO были удостоены премии под названием Breakthrough Prize, 1 млн долларов которой разделили основатели проекта (Кип Торн, Райнер Вайс и Рональд Дривер), а 2 млн долларов – 1012 соавторов открытия.

Кип Торн, Райнер Вайс и брат Рональда Дривера

Кип Торн, Райнер Вайс и брат Рональда Дривера на вручении Breakthrough Prize

Коллаборация LIGO намерена продолжить исследование гравитационных волн, их параметров и особенностей. В ближайшее время планируется объединение LIGO с обсерваторией LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – еще одним интерферометром, направленным на обнаружение гравитационных волн на 4-5 порядков ниже, чем LIGO.

Ниже представлено видео о создании обсерватории LIGO и дальнейшей перспективы астрономических наблюдений при помощи подобных интерферометров.


comments powered by HyperComments

Подпишись на рассылку лучших статей от Spacegid.com. Без спама.
Нажимая на "Подписаться", вы даете согласие на обработку персональных данных

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 387
Система Orphus