Часто задаваемые вопросы

Ниже приведены ответы на некоторые из наиболее часто задаваемых вопросов о LIGO.

Что такое гравитационные волны?

Хороший вопрос! Настолько хорошо, что у нас есть целая веб-страница, посвященная ответу. Визит Что такое гравитационные волны? Узнать больше.

Если гравитационная волна растягивает расстояние между зеркалами LIGO, не растягивает ли она и длину волны лазерного излучения?

Хотя это правда, что гравитационная волна действительно слегка растягивает и сжимает длину волны света в руках, это НЕ влияет на скорость распространения световых лучей (скорость света). И единственное, что имеет значение для LIGO - это время, которое требуется каждому лазерному лучу, чтобы пройти через его руку, прежде чем слиться с лучом из другой руки.

LIGO спроектирован таким образом, что до тех пор, пока расстояние, на которое проходят лазерные лучи, одинаково в обеих ветвях, они будут совершать свои поездки ровно в одно и то же время и прекрасно объединяться при слиянии. При рекомбинации световые волны фактически полностью компенсируют друг друга в явлении, называемом «полная деструктивная интерференция». Когда это происходит, мы знаем, что интерферометр и его компоненты стабильны.

Так что же происходит, когда проходит гравитационная волна?

Гравитационная волна заставляет руки LIGO попеременно становиться длиннее, а затем короче. В качестве аналогии, представьте, как буй поднимается и опускается на воду, когда проходит волна от скоростной лодки. В случае LIGO, вместо того, чтобы подпрыгивать вверх и вниз, руки колеблются взад-вперед, одна становится длиннее, а другая короче, затем наоборот и так далее, до тех пор, пока проходит гравитационная волна.

Когда это происходит, лазерные лучи проходят через интерферометр в регулярном темпе (скорости света), не зная об изменении длины плеч. Они ожидают встречи снова и разрушительно мешают друг другу. Но когда они собираются вместе, этого не происходит. По мере того как длина рук менялась, также менялось расстояние, которое должен был пройти каждый лазер в соответствующей руке. Луч, проходящий через более длинную руку, попадает в точку слияния после луча в более короткой руке! Теперь, вместо того, чтобы лазерные волны синхронизировались, чтобы деструктивно вмешиваться, их световые волны не синхронизированы, и происходит что-то еще. Попробуйте представить, что это происходит за время, необходимое для прохождения гравитационной волны. Так как длины плеч постоянно меняются по мере прохождения гравитационной волны, увеличивается и количество несинхронных световых волн!

Хотя это звучит как беспорядок, это не так. Фактически, в течение прохождения гравитационной волны, результирующая интерференционная картина изменяется постепенно с изменением длины плеч. Ученые LIGO могут посмотреть на изменяющуюся интерференционную картину и точно определить, как плечи самого интерферометра должны были со временем меняться, чтобы создать наблюдаемые ими схемы. Таким элегантным образом изменяющиеся времена прихода лазерных лучей от каждого плеча вызывают изменение интерференционной картины, которая, в свою очередь, выдает изменения в длинах плеч, вызванные гравитационной волной!

Эта изменчивая картина смещенных лазерных лучей, наблюдаемых и регистрируемых в течение времени, необходимого для прохождения гравитационной волны, говорит нам о двух вещах: 1. Насколько длина рук изменилась во время путешествий световых лучей, и 2. Частота, с которой или как быстро руки изменяли длину (длиннее, затем короче, чем длиннее и т. д.) в ответ на гравитационную волну. Эта информация может сказать нам, что породило гравитационную волну в первую очередь.

В этом сценарии действительные длины волн лучей света не имеют отношения к гораздо более важной интерференционной картине. Эффекты изменения длины в плечах намного перевешивают любое изменение длины волны лазера, поэтому мы можем практически полностью игнорировать это.

Как LIGO узнает, что сигнал в данных действительно пришел от события в космосе? Можете ли вы быть уверены на 100%, даже если несколько лабораторий измеряют одну и ту же вибрацию?

LIGO использует несколько методов для просеивания постоянного вибрационного шума, с которым мы сталкиваемся, чтобы подтвердить обнаружение гравитационных волн. Вот некоторые из них:

• Измерение всех известных источников шума (например, землетрясения, ветра, океанские волны, движение транспорта, сельскохозяйственная деятельность, даже молекулярные колебания в зеркалах LIGO) с помощью сейсмометров, магнитометров, микрофонов и детекторов гамма-излучения, а затем отфильтровывание вибраций, вызванных этими источниками, из наши данные.
• Поиск идентичных, одновременных сигналов от нескольких детекторов по всему миру (LIGO, Virgo, GEO600). Это исключает источники шума, которые являются локальными для данного детектора. Чем больше детекторов, которые чувствуют одну и ту же вибрацию в одно и то же время (учитывая время в пути между детекторами), тем более мы уверены, что источник вибрации не был локальным.
• Постоянное сравнение сигналов, поступающих от интерферометров, с теоретическими закономерностями гравитационных волн, генерируемых известными явлениями (эти закономерности получены непосредственно из уравнений общей теории относительности.
• Сравнение времени прибытия возможного гравитационного волнового события с электромагнитным (ЭМ) событием, наблюдаемым ЭМ обсерваториями.

Эти методы оказались чрезвычайно успешными. Возможно, наиболее важно то, что последний метод, упомянутый выше, был впервые использован в августе 2017 года, когда LIGO обнаружил свою первую пару сливающихся нейтронных звезд. Время прихода гравитационных волн совпало с коротким гамма-всплеском, обнаруженным орбитальной обсерваторией. В кратчайшие сроки данные от LIGO, Virgo и детекторов гамма-лучей были объединены, и источник события точно определил галактику на расстоянии 130 миллионов световых лет. Всего за несколько часов галактика была получена с помощью наземного телескопа, который обнаружил безошибочный свет от катастрофического события. Это было отмечено впервые, когда гравитационно-волновое событие также наблюдалось электромагнитными астрономами.

Еще более впечатляющим является то, что оценка LIGO расстояния до этого события была почти в идеальном согласии с оценками, независимо полученными астрономами ЭМ. Это дало неопровержимые доказательства того, что LIGO действительно обнаруживает гравитационные волны из отдаленных областей Вселенной. Наша уверенность будет только возрастать с увеличением количества обнаружений, особенно с учетом того, что наши электромагнитные партнеры также наблюдают за другими.

Следует отметить, однако, что ни одно измерительное устройство не является на 100% точным или точным. Что касается LIGO, мы хотели бы быть более чем на 99,9999% уверенными, что возможное обнаружение - это не просто шум, прежде чем мы объявим об обнаружении миру.

Зачем вам нужно создавать вакуум для получения точных данных?

Есть две основные причины, по которым LIGO необходимо работать в чистом вакууме:

1. Уменьшить звуковые колебания. Звуковые волны - это колебания молекул, которые, когда они отскакивают от препятствий, вызывают вибрацию других вещей, таких как барабанная перепонка. Поскольку сигналы, которые LIGO должен чувствовать, очень деликатны, даже несколько молекул, отражающихся от зеркал LIGO, могут вызывать вибрации, которые могут маскировать гравитационно-волновой сигнал. Вот почему столько усилий направлено на то, чтобы избавиться от как можно большего количества воздуха с помощью вакуумной системы LIGO. Поскольку звук не распространяется в вакууме (отсутствие молекул означает отсутствие звука), вакуумная среда LIGO не позволяет звуковым волнам создавать вибрации на зеркалах. Вакуум обеспечивает очень тихую, почти безмолекулярную среду, в которой детектор может работать и «слушать» только гравитационные волны.

2. Уменьшить легкие вибрации. LIGO использует лазеры для измерения расстояния между подвесными зеркалами (мы называем их «испытательными массами»). К сожалению, лазерный свет может рассеиваться, преломляться и (потенциально) поглощаться молекулами. Даже несколько молекул кислорода или азота на пути одного из лазерных лучей LIGO могут вызвать рассеивание луча и создать «мерцание», которое может имитировать гравитационный волновой сигнал. Это похоже на мерцающую звезду. Звезды мерцают, потому что тонкий свет от этой звезды преломляется, когда он проходит через атмосферу, сталкиваясь с карманами воздуха различной плотности (вызванными различными температурами и уровнями влажности). Фотоны рассеиваются, отражаются, преломляются и т. Д. По мере движения к вашему глазу, что воспринимает эффект как мерцание. В космическом вакууме звезды не мерцают, потому что нет атмосферы, препятствующей фотонам. Точно так же, если бы в трубках пучка LIGO находился воздух, фотоны в лазерных пучках отскакивали бы вокруг (по существу, мерцали), делая невозможным для нас отличить гравитационную волну от всего лишь некоторого рассеянного света. Чтобы устранить эту проблему, вакуумные трубки LIGO содержат в 8-10 раз меньше атомов и молекул, чем вакуум пространства! Это гарантирует, что любые наблюдаемые колебания в лазерном свете не вызваны рассеянием атомами или молекулами в трубке пучка.

Как вы мешаете зеркалам обнаруживать вибрации Земли?

LIGO использует две основные стратегии для защиты детекторов от земных колебаний. Они называются «пассивными» и «активными» системами виброизоляции.

Базовый "четырехъядерный" маятник, демонстрирующий пассивное демпфирование через подвеску

Пассивная виброизоляция

Система пассивной вибрационной изоляции LIGO не позволяет вибрациям достигать критического зеркала или «испытательной массы», которая отражает лазерный луч, который говорит нам о том, прошла ли гравитационная волна. Это делается с использованием некоторой довольно базовой физики: принципов маятников и Закон инерции ,

Вы можете проиллюстрировать дома, почему маятник настолько эффективен для снижения вибраций. Используя изображение слева в качестве ориентира, свяжите четыре тяжелых шайбы или болта вместе в линию, каждая из которых разделена одинаковой длиной нити. Держите веревку за верх и быстро слегка встряхивайте ее взад и вперед (вы имитируете вибрации окружающей среды вокруг LIGO). Вы увидите, что самая низкая масса движется очень мало, если вообще, по сравнению с верхней. Это связано с тем, что каждый сегмент маятника поглощает вибрацию, которую он «чувствует» сверху, и предотвращает его передачу внизу. Таким образом, эта система «изолирует» нижнюю массу от всего «шума», который вы создали над ней.

Теперь есть еще один фактор, который может повлиять на то, как по-прежнему остается нижняя масса, когда вы встряхиваете вершину: вес вещей, связанных вместе в маятнике. Это где Закон инерции вступает в игру. Закон инерции описывает, насколько тяжелее что-то, тем больше усилий или энергии требуется для его перемещения. Чтобы воспользоваться этим эффектом, каждый «узел» в цепи подвески LIGO представляет собой большую массу; обладающий большой инерцией. Просто по своей инерции каждая масса может препятствовать тому, чтобы большая часть вибрации, приходящей сверху, достигала массы непосредственно ниже. Немного может просочиться через массу внизу, но затем его инерция поглощает большую часть этих вибраций и не позволяет ей достигнуть следующей, и т. Д. В результате каждая последующая масса намного более стабильна, чем та, что выше. Насколько эффективным это может быть на самом деле? В подвесках LIGO этот процесс приводит к тому, что величина вибраций, достигающих критических «испытательных масс» LIGO, в 100 миллионов раз меньше, чем вибрации, которые «встряхивают» самую верхнюю часть системы подвески! Теперь важно отметить, что есть и другие способы в подвеске с четырьмя подвесками, которые инженеры LIGO нашли для снижения вибраций. Но в значительной степени это достигается с помощью процессов, описанных выше.

Активная Изоляция Вибрации

Как бы хороша она ни была, сама по себе «пассивная» система все еще недостаточно хороша, чтобы позволить LIGO обнаруживать гравитационные волны. Чтобы достичь этого уровня, пассивная система сама содержится в «активной» системе изоляции. Как следует из названия, активная изоляция - это процесс, при котором ряд датчиков в интерферометрах LIGO и рядом с ними обнаруживают вибрации из окружающей среды (ветер, землетрясения, дорожное движение и т. Д.) И отправляют сигналы обратной связи на исполнительные механизмы, которые физически перемещают систему пассивной изоляции для отмены. как можно больше вибраций, прежде чем они достигнут пассивной системы. Это тот же основной принцип, по которому работают наушники с шумоподавлением. Однако, эта активная система не может устранить все вибрации, и то, что мало что делает с подвеской на четырех опорах, обеспечивается пассивной системой изоляции.

Работая вместе, системы активной и пассивной изоляции сохраняют зеркала LIGO абсолютно неподвижными и подготовленными для обнаружения гравитационных волн. Впечатляет, что все эти усилия сделали интерферометры LIGO самыми чувствительными измерительными приборами из когда-либо созданных.

Подробнее о том, как работают эти системы изоляции, читайте Виброизоляция ,

Как LIGO использует данные, которые он собирает?

В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в своей теории общей теории относительности. До 14 сентября 2015 года мы только предполагали, что они существовали. Сегодня LIGO сделал достаточно обнаружений, чтобы знать, что гравитационные волны реальны! Чем больше обнаружений делает LIGO, тем больше вопросов поможет ответить о физике и Вселенной в целом. Поскольку каждый источник гравитационных волн играет уникальную «мелодию», первое, что мы узнаем, - это какое удивительное событие во Вселенной породило волну. Известные возможности:

• Слияние (слияние) черных дыр или нейтронных звезд, или нейтронной звезды и черной дыры на орбите вокруг друг друга
  • Гравитационные волны, обнаруженные LIGO 14 сентября 2015 года, возникли в результате слияния двух массивных черных дыр. Менее чем через два года, 17 августа 2017 года, LIGO обнаружил сталкивающиеся нейтронные звезды. Эти два события, в частности, вошли в научную историю. Кто знает, какие еще открытия мы обнаружим!
• Вращение неровной нейтронной звезды
• Взрыв комковатой звезды (если звезда не идеально сферическая, когда она взрывается), называемая сверхновой
• Движения материи и энергии, которые произошли сразу после Большого взрыва

И всегда есть шанс, что мы обнаружим то, что пока не можем объяснить.

Результаты LIGO значительно расширят базу знаний астрономов, которые наблюдают в электромагнитном спектре (например, радиоволны, инфракрасные лучи, рентгеновские лучи, гамма-лучи). В некоторых случаях мы надеемся, что данные LIGO будут содержать ключевые сведения, необходимые для ответа на следующие важные вопросы:

• Сколько нейтронных звезд и черных дыр находится в типичной галактике?
• Как развиваются бинарные системы с этими объектами и как часто они сталкиваются?
• Являются ли эти системы источником наблюдаемых, но таинственных коротких гамма-всплесков, которые мы часто видим? (LIGO уже внесла свой вклад в ответ на этот вопрос! Наше обнаружение сталкивающихся нейтронных звезд в августе 2017 года предоставило четкие доказательства того, что, по крайней мере, некоторые короткие гамма-всплески, на самом деле, вызваны сталкивающимися нейтронными звездами.)
• Насколько «комковаты» взрывы сверхновых и нейтронные звезды?
• Действительно ли черные дыры влияют на пространство и время так, как предсказывает теория Эйнштейна?
• Могут ли гравитационные волны рассказать нам что-нибудь о первых мгновениях после Большого взрыва?

Кроме того, хотя LIGO будет искать гравитационные волны, вызванные астрономическими явлениями, данные LIGO также внесут вклад в более широкие физические и инженерные сообщества и помогут ответить на фундаментальные вопросы физики, такие как:

• Каковы свойства гравитационных волн?
• Является ли общая теория относительности правильной теорией гравитации?
• Является ли общая теория относительности действительной в условиях очень сильной гравитации?
• Являются ли черные дыры природы черными дырами общей теории относительности?
• Как материя ведет себя при крайних значениях плотности и давления?

И последнее, но не менее важное: LIGO уже вносит свой вклад вне астрономии и астрофизики, развивая знания в следующих областях:

• Квантовое измерение / высокоточная метрология пространства-времени
• Оптика / квантовая оптика / лазерные системы
• Космическая наука и техника
• Геология и геодезия
• Материаловедение и технология
• Криогеника и криоэлектроника
• вычисления
• Методы теоретической физики
• Химия - обнаружение LIGO сталкивающихся нейтронных звезд привело к совершенно новому пониманию происхождения тяжелых элементов в периодической таблице, отвечая на давний вопрос о том, как такие элементы образовались в количествах, которые мы наблюдаем во Вселенной в целом.

Хотя LIGO был разработан для прослушивания одного неуловимого, почти не обнаруживаемого явления, его более широкое влияние на науку уже было значительным.

Как часто гравитационные волны, которые LIGO может обнаружить, проходят мимо Земли?

Никто пока не знает. Считается, что сильные гравитационные волны встречаются достаточно редко, поэтому LIGO не обнаруживал их в первые годы работы в период с 2002 по 2010 гг. Однако после масштабного обновления, которое потребовалось 4 года, LIGO обнаружил свою первую гравитационную волну 14 сентября 2015 г. В течение нескольких дней после включения нового и улучшенного детектора. Другими словами, за несколько дней LIGO достиг того, чего не было достигнуто за 8 лет предыдущей работы! Это предвещает хорошо для будущих обнаружений.

В среднем, в течение первых двух наблюдений, обнаружение LIGO проводилось с частотой один раз в 2 месяца, и это до того, как мы достигнем так называемой «чувствительности конструкции» (которую мы ожидаем достичь в 2020 году). Шесть обнаружений, которые мы сделали до сих пор, предполагают, что такого рода события относительно распространены. Как только детекторы LIGO достигнут максимальной чувствительности, они могут обнаруживать гравитационные волны со скоростью один в неделю. Единственный способ уточнить оценки частоты прохождения обнаруживаемых гравитационных волн - это продолжать делать детекции!

С этой целью ожидается, что в течение 10 лет по всему миру будут работать пять детекторов гравитационных волн, таких как (и включая) LIGO. Когда это произойдет, мы должны быть готовы обнаруживать гравитационные волны 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Кто знает, что ждет множество чудес!

Если текущие оценки говорят о том, что сливающиеся нейтронные звезды генерируют гравитационные волны в галактике один раз в 10000 лет, сколько событий мы можем обнаружить в настоящее время в год?

LIGO обнаружил свое первое слияние нейтронных звезд 17 августа 2017 года, в случае, когда электромагнитные астрономы наблюдали также по всему миру (и на момент написания этой статьи по-прежнему отслеживаются радиоастрономы). Мы прогнозируем, что, как только LIGO достигнет наиболее чувствительного состояния, мы сможем обнаружить около 40 сливающихся нейтронных звезд в год .

Теперь вы можете спросить: «Как это возможно, если такие события настолько редки в нашей галактике?»

Если бы LIGO не мог воспринимать события, происходящие за пределами нашей собственной галактики (за пределами около 80 000 световых лет), нам, вероятно, пришлось бы ждать очень долго, чтобы обнаружить гравитационную волну. Но продвинутые детекторы LIGO могут слышать от отца тысячи раз больше, чем он, предназначенный для обнаружения гравитационных волн, возникающих в галактиках на расстоянии до сотен миллионов световых лет (событие августа 2017 года возникло в галактике на расстоянии 130 миллионов световых лет).

Оценить, как часто мы можем обнаружить любую гравитационную волну, сложно. Несмотря на то, что мы уже сделали несколько обнаружений, мы все еще мало знаем об источниках обнаруживаемых гравитационных волн, помимо того, что теоретизировали астрофизики. Один источник, который мы знаем, существует и в настоящее время обнаружен, это двойные нейтронные звезды (две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг друг друга). По нашим оценкам, LIGO может обнаружить сливающиеся нейтронные звезды на расстоянии около 650 миллионов световых лет (это в 5 раз дальше, чем событие августа 2017 года). Конечно, это не значит, что мы не услышим более сильные события на гораздо больших расстояниях. Так было в случае с первым обнаружением LIGO, созданным двумя черными дырами на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.

Что действительно важно для LIGO - это объем пространства, которое мы « пробуем ». Расстояние в 650 миллионов световых лет от Земли означает объем пространства, превышающий один миллиард кубических световых лет! Объем в один миллиард кубических световых лет содержит около миллиона галактик типа Млечного Пути . Таким образом, из миллиона прослушиваемых целых галактик мы ожидаем обнаруживать (в среднем) около 40 слияний нейтронных звезд в год, как только мы достигнем проектной чувствительности.

Если гравитационные волны оказывают такие крошечные изменения на Земле, почему они важны?

Гравитационные волны, вероятно, не будут полезны для понимания процессов на Земле, но они помогут нам понять процессы, происходящие в космосе, такие как столкновения пар черных дыр. Мы уже многому научились только из двух наших первых обнаружений:

Из нашего первого обнаружения сливающихся черных дыр мы узнали:

(а) бинарные черные дыры действительно существуют (они были только теоретизированы ранее), и

(б) существуют также черные дыры с массами, примерно в 30 раз превышающими массы Солнца (астрономы работают, чтобы понять, как сделать такие черные дыры)

Ни один из этих фактов не был известен до исторического первого обнаружения LIGO.

Из нашего первого обнаружения сливающихся нейтронных звезд мы узнали:

(а) что по крайней мере один источник коротких гамма-всплесков объединяет нейтронные звезды

(б) что сливающиеся нейтронные звезды на самом деле ответственны за генерацию количеств тяжелых элементов, которые мы наблюдаем во Вселенной. Это единственное обнаружение привело к переписыванию историй происхождения многих элементов в периодической таблице.

Знания, которые астрономы получают при измерении гравитационных волн, могут также улучшить наше понимание пространства, времени, вещества, энергии и их взаимодействий. Таким образом, мы могли бы революционизировать знания и понимание человечеством природы самого существования. Кроме того, влияние LIGO на науку в целом выйдет далеко за рамки астрономии и астрофизики. Чтобы узнать больше, посетите Зачем их обнаруживать? в Учить больше ,

Какую информацию могут предоставить гравитационные волны?

Гравитационные волны обеспечат проверку теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях гравитации, где она никогда ранее не проверялась. Они также дадут нам больше информации о невообразимо плотной форме материи, из которой состоят нейтронные звезды. Нейтронные звезды содержат больше вещества, чем наше солнце, упакованное в сферу размером с город - около 10 км (6 миль) в поперечнике. Эти объекты настолько плотны, а их гравитация настолько велика, что человек, весивший на Земле 68 фунтов (68 кг), будет весить 21 000 000 000 000 фунтов (9 545 000 000 000 кг) на нейтронной звезде! Вещество, из которого состоит нейтронная звезда, упаковано так плотно и плотно вырожденная материя ", что не очень хорошо понято. LIGO поможет улучшить наше понимание вырожденной материи.

Гравитационные волны также расскажут нам о том, сколько объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, существуют во Вселенной. Они дадут нам понимание того, что происходит во время самых жестоких взрывов во Вселенной. Когда-нибудь гравитационные волны могут даже позволить нам понять, что происходило в самые ранние моменты Вселенной, когда она была настолько плотной и горячей, что никакой свет не мог двигаться вокруг. Любые фотоны, испущенные в это время, давно были поглощены плазмой горячих ионов, но гравитационные волны той эпохи могли распространяться прямо на Землю с небольшим вмешательством вещества во Вселенной.

Какие открытия надеется сделать LIGO?

Историческое обнаружение LIGO в 2015 году двух сталкивающихся черных дыр и обнаружение смещения парадигмы коллимирующих нейтронных звезд в 2017 году открыло новую область астрофизики. Независимо от того, обнаруживаются ли гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр, сверхновых, остаточного излучения Большого взрыва или даже от крошечных несовершенств быстро вращающихся ультраплотных нейтронных звезд, количество потенциально новых фундаментальных знаний об экстремальной Вселенной, которое мы можем получить поразительно. Еще лучше, как и в любой науке, лучшая награда приходит от открытия вещей, о которых мы никогда не знали, никогда не могли себе представить или просто не понимали. Как и в любой другой раз, когда мы смотрим на небо по-другому, будь то через инфракрасные, рентгеновские или гамма-очки, мы почти наверняка будем вдохновлены и заинтригованы тем, чего не ожидали найти ,

Похожие

Комментарии