Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
chervonec_001

Линейка для обнаружения гравитационных волн с точность в десятимиллионную протона

Экспериментальное обнаружение гравитационных волн было осуществлено на лазерно-интерферометрических приборах LIGO.

В дополнение к материалу о первой регистрации гравитационных волн от слияния нейтронных звезд

Этот успех (а обнаружение гравитационных волн (ГВ) от двух сливающихся черных дыр первый раз произошло 14 сентября 2015 года) стал плодом примерно 50-летнего развития техники для детектирования ГВ. В результате этого развития инструмент LIGO обладает леденящими характеристиками, впрочем, никакие человеческие эпитеты не передают уровня прецизионности этой машины.

Лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США.


Гравитационно-волновой детектор в Ханфорде


Гравитационно-волновая астрономия - давний предмет вожделения специалистов. Она позволяет изучать объекты, слабо проявляющие себя в электромагнитном излучении, а значит недоступные современной астрономии.


Симуляция излучения гравитационных волн сливающейся парой черных дыр.


Характерный паттерн от двух сливающихся черных дыр - орбита быстро уменьшается из-за излучения момента вращения в виде гравитационных волн и в конце концов они сливаются, оставляя "послезвон" - сброс искажений формы в виде гравитационных волн.


Как можно обнаружить гравитационную волну? К сожалению, для этого нет простых способов. В LIGO используется свойство гравитационных волн переодически изменять расстояния между двумя тестовыми массами (и тестовые массы здесь ключевой детектор), только вот изменения эти очень невелики. Если мы раздвинем две тестовые массы, скажем, на километр, то все что мы увидим - колебания расстояния между ними с амплитудой ~ 10-21 , т.е. около 1/10000 размера протона, и одной миллиардной размера электронной оболочки атома. Если увеличить линейку до Плутона километров, ситуация кардинально не улучшится, ее точность должна быть в районе нанометров).


Отклонение тестовых масс (черные квадраты) при прохождении гравитационной волны от своих изначальных позиций (пустые квадратики).



Впрочем, если перейти от материальных линеек к световым, то можно достичь некого прогресса. Интерферометр Майкельсона использует деструктивную интерференцию (т.е. гашение двух волн в противофазе) прошедших через два измерительных плеча. Если длина плеч перестает быть равными, то на детекторе начинает появляться свет, причем для идеального, не-квантового света мы можем измерить таким образом любую величину смещения зеркал.


Принцип влияния проходящей ГВ на интерферометр майкельсона и возникновение сигнала при разбалансировке размеров плеч.



На практике, лабораторные интерферометры без особых проблем измеряют изменения расстояний в десятки нанометров, а передовые устройства - доли нанометров. Даже если сделать интерферометр с плечами ~4 км (а это оптимальная длина по бюджету шумов, о чем мы поговорим дальше) и с точность 0,1 нм, то это всего лишь ~10 в-14 - т.е. все еще в 10 миллионов раз меньшая чувствительность, чем надо!

Добраться до нобелевской премии необходимой прецизионности хотя бы в теории помогает использование оптических резонаторов Фабри-Перо. Вставка такого резонатора в длинное измерительное плечо интерферометра заставляет свет многократно отражаться между двумя зеркалами, нанесенными на тестовые массы. Фактически это удлиняет эффективную длину интерферометра в несколько сот раз (для LIGO это значение около 300). Далее этот трюк повторяется путем вставки отражателей в вход и выход интерферометра - фотоны, выскакивающие с резонаторов в длинных плечах, многократно отражаются обратно и постепенно набирают технически измеряемую разность хода лучей.



Впрочем, между идеей и реализацией в данном случае лежит пропасть. Беря в руки измерительный прибор такой прецизионности, вы обнаружите десятки источников шумов, которые в тысячи и миллионы раз превосходят полезный сигнал. Впрочем, говоря о миллионах я слишком преуменьшаю. Сейсмические колебания по амплитуде превосходят сигнал ГВ на 11 порядков (т.е. в 100 миллиардов раз).

Борьба с этими шумами представляет собой невероятную инженерно-физическую сагу, растянувшуюся на десятилетия. Рассказывая о этой борьбе, удобно все приводить в систему, в которой записывается полезный сигнал - т.е. в виде амплитуды колебаний плеча интерферометра, сравнивая ее с заветной чувствительность 10 в-21.

Трубы вакуумной системы имеют диаметр 1,24 метра, в частности здесь изображена угловая (центральная) станция LIGO Hanford. Вправо уходит 4 километровое измерительное плечо.



Первым инженерным чудом, на котором базируется LIGO, является вакуумная система. Объем оптической системы, подвергающуюся вакуумированию очень велик - около 10 тысяч метров3, при этом уровень вакуума - 10-9 торр (~10-7 Па - это разряжение круче, чем в вакуумной камере ИТЭР).

Вакуум нужен, прежде всего, для изоляции оборудования от акустических вибраций, и во вторую очередь - для того, чтобы избавиться от случайных искажений фазы лазерного луча на молекулах газов, что дало бы ненужный шум на приемном детекторе. До создания прототипов вакуумных объемов LIGO не было даже понятно, удастся ли выдержать такой вакуум в таком объеме - до LIGO никто этого не достигал. Достижение рабочего вакуума с промежуточным отжигом в LIGO занимает 40 суток.

Были созданы также подвески (отдельный крайне сложный технически вопрос), ослабляющих воздействие среды на 12 порядков

Создатели LIGO говорят, что без его фантастических демпфирующих вибрацию подвесок интерферометр способен фиксировать велосипедистов в километрах от установки, чувствовать дрожание от прибоя в тысячах километрах, более того - LIGO чувствителен к перемещению воздушных масс, вызывающих колебания гравитационного поля Земли (!).

После значительного ослабления вибраций и активной компенсации медленных “геологических” колебаний главным источником шума становятся тепловые шумы системы. Тепловые колебания атомов легко игнорировать, пока вы не пытаетесь измерить что-то в тысячи раз меньше этих атомов.

Но и эту сложнейшую техническую проблему удалось решить

Один из самых удивительных шумов системы - это так называемый “Ньютоновский”. Связан он с изменением гравитационного поля под влиянием лунных и солнечных приливов, перемещения мантийных масс, атмосферных участков с более высоким или более низким давлением. Небольшие изменения гравитации возбуждают в коре медленные колебания, которые чувствует LIGO.

Для отстройки от этого шума выстроена целая система гравиметров, датчиков давления, температуры и микрофонов, которая дает данные на вход системы автоподстройки интерферометра, которая пытается компенсировать эти воздействия. Тем не менее на частотах ниже 10 Гц амплитуда этих воздействий начинает доминировать в шумовой картине, образуя т.н. seismic wall. Фактически это означает, что на Земле невозможно построить детектор низкочастотных гравитационных волн, которые характерны, например, для сливающихся сверхбольших черных дыр (ядер галактик).


В ходе примерно 30 лет совершенствования лазерно-интерферометрических технологий (в т.ч. сами LIGO прошли 2 апгрейда в начале 2000-х и начале 2010-х годов) физики вплотную приблизились к фундаментальному пределу точности измерения - квантовому. Практически на всех частотах квантовый предел, возникающий из принципа неопределенностей Гейзенберга, определяет чувствительность машины. Хотя есть несколько способов слегка его отодвинуть (путем использования “сжатого света” и увеличением тестовых масс), но в целом не видно путей, как поднять чувствительность наземных лазерных интерферометров выше примерно 10 в-24 .

Но и такая чувствительность будет весьма интересным результатом. LIGO, работая в 2014-2017 годах на чувствительности около 10 в-22 ловит примерно 1 гравитационно-волновое событие в год. Однако гравитационные волны обладают очень интересным свойством - интенсивность их падает линейно в зависимости от расстояния до источника, а значит, увеличение чувствительности всего в 2 раза повышает обозреваемый объем в куб от 2 - т.е. 8 раз. Примерно в 8 раз же вырастает и количество источников гравитационных волн, и частота событий.

А увеличение чувствительности на 1,5-2 порядка может привести к тому, что ГВ-события будут регистрироваться несколько раз в час.

Впрочем, на сегодня (осень 2017 года), LIGO еще не достиг даже запланированного предела по чувствительности в 10-23, в основном из-за сложностей поднятия мощности захваченного в плечи излучения до планового значения в 830 киловатт. Например, большой проблемой оказались блики от элементов конструкции обратно в оптическую систему - хотя относительная мощность вроде невелика, паразитные блики отражаются от нестабилизированных элементов и несут в себе уровень вибраций на 12 порядков превышающий уровень в основном луче.

Достигнутая на сегодня чувствительность - чуть хуже, чем 10 в-23 и порядка 10 в-22 в широком диапазоне частот. VIRGO пока имеет чувствительность в несколько раз хуже.

В любом случае, сентябрь 2015 года стал началом нового вида астрономии, который еще наверняка многое расскажет о Вселенной (например, частота столкновений черных дыр промежуточной массы уже стала неожиданной для астрономов - никто не подозревал, что таких ЧД так много). Еще одним интересным результатом программы LIGO стало то, что научный результат может стать плодом десятилетий труда, и не стоит заниматься экстраполяциями в духе “не получили за 20 лет - не получат никогда”.

Источник

Радиус протона около 10 в-15 метра. Чувствительность прибора 10 в-22 метра, то есть раз в 10 миллионов выше. То есть если протон представить размером с нашу планету, то прибор должен нащупывать песчинку на её поверхности. Вот такая фантастика. Но это не фантастика.

По теме: https://chervonec-001.livejournal.com/tag/гравитация


Последние записи в журнале


промо chervonec_001 20:01, saturday 59
Разместить за 240 жетонов
Спасибо за поздравления на День рождения и поддержку блога! Откровенно говоря, было расстроился вчера утром, когда показалось, что читателям все равно на мой блог, и вчера на утро за 7 часов пришло 300 рублей. Не от суммы расстроился. Мне важна ваша реакция и показалось, что ее нет. Но…

  • 1
Это мегабабкораспиливатель, а не измеритель волн.

Абы пернуть?
До чего у многих вместо мозгов не пойми что

Улетаешь в бан
Причина - узость твоего мышления

Андрей просто вбив в гугле по поиску ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ НЕ СУЩЕСТВУЮТ вы найдете множество статей маститых ученых и историков от науки которые вам на пальцах докажут всю несостоятельность этой фикции. Вы зря отправили его в бан ибо он все правильно сказал. Я поясню. Вселенная бесконечна так?? Миллионы черных дыр или вернее обьектов с сильной гравитацией сталкиваются и вселенная должна быть заполнена РЯБЬЮ от таких обьектов если бы гравиволны действительно существовали. это как вычленять в БЕЛОМ ШУМЕ радтиосигнал с человеческой речью в миллиардах голосов. Это нереальная задача. Будь наше пространство изменялось бы и искривлялось от каждого пука то нашу вселенную просто разорвало бы чего мы не наблюдаем.

Никак не возьму в толк, как они полезный сигнал от шумов отличают, на каком основании происхождение регистрируемого сигнала приписывается чёрным дырам.

По ссылке в конце посмотрите в источнике
Там более развернуто, я сократил, вычленив суть

ознакомтесь пожалуста по теме и скажите свое мнение http://sceptic-ratio.narod.ru/phys/kp36.htm

👍🏻

Надеюсь это в будущем поможет таки «срастить» макромир с квантовой механикой и родить наконец «теорию поля» (теорию всего).

🙂


Странно что не использовали известные квазары - точность была бы выше
Наверное, задача была искать на Земле (поставлена Пентагоном и им же спонсирована)

Причем и где тут вообще квазары?

Не знаю как для строителей вакуумных труб, а для астрономов - это "маяки вселенной"

И как гравволны к ним привязать?

Просто странно, зачем создавать инструмент слежения за всеми возмущениями на Земле
Вся история астрономии говорит нам, что надо использовать внеземные инструменты.
Квазары были просто как очевидный пример стабильных источников излучений

правильно мыслишь но немодно. Счас модно быть релятивистом и верить в компьютерные модели и постулаты. наука это вера так то вот. )))

Ошибаетесь, наука - поле сражения новых идей, без авторитетов, тем более богов

  • 1
?

Log in

No account? Create an account