تلسكوب أينشتاين: كاشف موجة الجاذبية من الجيل التالي

أطول وأقوى وأكثر دقة - ستقوم أوروبا ببناء جيل جديد من كاشف موجات الجاذبية يسمى تلسكوب أينشتاين .


أينشتاين فن مفهوم التلسكوب ، الائتمان: www.gwoptics.org

بدأ كاشف AdvancedLIGO العمل منذ عامين ، ولم يصل حتى إلى الحساسية المخطط لها. ومع ذلك ، فمن الواضح للعلماء أن حساسية LIGO لن تكون كافية لعلم الفلك الحقيقي لموجة الجاذبية.

سأتحدث عن حدود LIGO ، وكيف سيكون للكشف عن المبردة تحت الأرض أطول بـ 2.5 مرة من LIGO أن يكون قادرًا على التحايل على هذه القيود.

1. مقدمة لمبادئ تشغيل كاشف GV

أولاً ، أتذكر بإيجاز كيف يكتشف LIGO موجات الجاذبية ، ويحدد بعض المفاهيم.


LIGO Detector - مقياس تداخل مايكلسون. تمتد الموجات التثاقلية كتفًا واحدًا وتضغط على الآخر ، وتتغير المرحلة النسبية للضوء على الفاصل بالأشعة ، وتظهر صورة للتداخل عند الخرج. صورة الائتمان: induced.info

1.1 مبدأ التشغيل

موجات الجاذبية (GW) عبارة عن اضطرابات صغيرة في مقياس الزمان والمكان. تنشأ أثناء الحركة غير المتماثلة للأجسام الضخمة ، على سبيل المثال ، عندما يتم دمج فتحتين أسوديتين. تؤدي هذه الاضطرابات إلى تغيير في تعريف المسافة بين الكائن ("الامتداد" و "ضغط" المسافة). تم تصميم كاشف الموجة الجاذبية بحيث يسمح لك بقياس هذا التغيير في المسافة باستخدام الليزر. في أبسط إصدار ، يكون الكاشف هو مقياس تداخل من Michelson ، حيث تتم موازنة أذرع الكاشف بحيث يتم عكس كل الضوء باتجاه المصدر ، ويظل المخرج الثاني لمقسم الحزمة بسبب التداخل المدمر مظلمًا.

عندما تصل الرؤوس إلى الكاشف ، فإنها تمد كتفًا واحدًا وتضغط على الآخر ، مما يغير نمط التداخل عند إخراج مقياس التداخل ويسمح بتسجيل الإشارة.
في مقالة سابقة ، أوضحت أن كاشف GV ليس حاكمًا ، بل ساعة ، أي يقيس التأخير النسبي للضوء في ذراعين بسبب موجة الجاذبية. وأظهرت أيضًا أن التغير النسبي في مرحلة الضوء:

$$

$$\ phi = L / \ lambda$$

تشرح هذه المعادلة سبب إجراء أجهزة الكشف لفترة طويلة: هذا يسمح لك بزيادة الحساسية.

لزيادة الحساسية ، توصل العلماء إلى استخدام المرنانات البصرية. أنها تسمح للضوء بالسفر في الكتف عدة مرات $$$\ mathcal {N}$ زيادة فعالية طول الكتف في $$$\ mathcal {N}$ مرات.

أيضا ، فإن الإشارة عند الخروج من الكاشف تتناسب مع الطاقة الضوئية داخل الكاشف ، بحيث تحل المرنانات مشكلتين في وقت واحد ، لأنها تضخيم الطاقة الضوئية.

1.2 استقطاب موجات الجاذبية

موجات الجاذبية مستقطبة: يمكن أن تكون إما "+" (بالنسبة للكاشف - تمد كتفًا واحدًا وتضغط على الآخر) ، أو "س" (تمدد / تضغط كلا الكتفين في نفس الوقت).


إزاحة كتل الاختبار (الكرات) تحت تأثير HS من الاستقطابات المختلفة خلال فترة واحدة. الائتمان: [Tiec، Novak، 2017]

الكاشف حساس للاستقطاب "+" فقط. لذلك ، من المهم أن يكون هناك عدة أجهزة كشف ذات اتجاه كتف مختلف قليلاً ، بحيث يكون من الممكن قياس موجات أي استقطاب: إذا كان أحد الكاشف موجَّهًا إلى "+" ، والثاني إلى "x" ، فعندما يرى أحد الكاشفين الموجه والآخر لا ، نحن متأكدون أن هذا الاستقطاب كان بالضبط "+". وإذا شهد كلاهما موجة من السعات المختلفة ، فيمكننا حساب ما كان عليه الاستقطاب الأولي.

تضع الحساسية للاستقطاب نمطًا إشعاعيًا مختلفًا لاثنين من الاستقطابات (على سبيل المثال ، أي نقاط في السماء أفضل رؤية بواسطة الكاشف).


نمط الكاشف إلى الاستقطاب x و + ، وكذلك متوسط ​​أكثر من اثنين من الاستقطابات. الائتمان: arXiv: 1501.03765

2. حدود LIGO

تتميز LIGO بحساسية لا تصدق: فهي تتيح لك قياس التغير النسبي في طول الكتف بدقة تتراوح من 10 إلى ¹⁸ مترًا.

لقياس الإشارات بهذه الدقة ، من الضروري التخلص من جميع أنواع الضوضاء في أجزاء مختلفة من الجهاز.

عادة ما تظهر حساسية المكشاف على أنها مستوى الضوضاء في المكشاف بترددات مختلفة في شكل كثافة طيفية. تعكس الكثافة الطيفية مساهمة الضوضاء المختلفة في الإشارة عند خرج الكاشف (على سبيل المثال ، قد تكون بعض الضوضاء كبيرة في الأصل ، ولكنها تقدم مساهمة صغيرة في الضوضاء عند الخرج). عادة ما يتم تطبيع الكثافة الطيفية لسعة الموجات الجاذبية (ما يسمى سلالة ، $$$h = \ Delta L / L$ )


المساهمات الرئيسية في حساسية LIGO عند ترددات مختلفة ، تطبيع إلى سعة سلالة GW ، $$$h = \ Delta L / L$

النظر في بعض أهم المساهمات في الضوضاء:

1. الضوضاء الزلزالية (حدود الترددات <1Hz): أي نشاط زلزالي يمكن أن يغير المرايا. للعزل عن هذه الضوضاء ، يتم تعليق المرايا على نظام تعليق متعدد المراحل ، والذي يتم تثبيته بدوره على حامل متعدد المستويات. كلما انخفض معدل تكرار الرنين في التعليق ، كلما تم قمع المزيد من الضوضاء عند الترددات المنخفضة. من حيث المبدأ ، لا توجد قيود على جودة الحد من الضوضاء.

2. ضوضاء الجاذبية النيوتونية (حدود الترددات ~ 1Hz): حتى لو كانت المرايا معزولة تمامًا عن التأثيرات الزلزالية المباشرة ، فإن إزاحة سطح الأرض / الأرض يمكن أن يؤثر على المرايا بشكل جاذبية. الموجات الصوتية التي تنتشر على سطح الأرض ، على سبيل المثال ، من الرياح أو الأمواج ، تغير المسافة من المرآة إلى الأرض قليلاً ، وبالتالي قوة الجذب ، والتي يمكن أن تحل محل المرايا. من المستحيل أن نعزل تمامًا عن هذا ، وهذا عائق أساسي.

3. الضوضاء الحرارية للتعليق (يحد الترددات ~ 1-10HZ): الحركة الحرارية للجزيئات في تعليق المرايا يؤدي إلى إثارة الاهتزازات في التعليق ، الذي يحل محل المرايا. من الصعب قمعها ؛ كل شيء يعتمد على جودة المواد.

4. الضوضاء الحرارية للمرايا (تحد من الحساسية من الأسفل): الحركة الحرارية للجزيئات في الطلاء من المرايا ، وفي "جسم" المرايا (الركيزة). بالنسبة لأشعة ضوئية ، يبدو الأمر وكأنه إزاحة المرآة نفسها بالكامل. تقتصر على المواد ، وأهم الضوضاء التقنية.

5. ضوضاء الليزر ذات اللقطة الكمومية (الترددات> ​​50 هرتز): للضوء طبيعة كمومية ، تطير الفوتونات الفردية بتأخير عشوائي مع قيم عشوائية مختلفة. هذا التأخير مرئي كقياس طور عند خرج مقياس التداخل ، ويحد من جميع الترددات. كلما زادت قوة الضوء داخل الكاشف ، قلت الضوضاء. الحد الأساسي ، ولكن يمكن قمعها باستخدام ضوء تقلص.

6. الضوضاء الكمومية لضغط الإشعاع (التردد من 10 إلى 50 هرتز): تؤدي ضوضاء الطلقة نفسها إلى تقلبات في الطاقة داخل مقياس التداخل وتسبب قوة ضغط إشعاعي عشوائية على المرايا. أساسية مثل الضوضاء النار. على عكس ضوضاء النار ، يزيد مع زيادة قوة الضوء.


شرح عن الضوضاء الكمومية. تنتج الفوتونات المفردة قوة عشوائية من ضغط الإشعاع (يسار). من ناحية أخرى ، يؤدي التوزيع العشوائي للفوتونات في الوقت المناسب إلى تقلبات السعة على الكاشف الضوئي (يمين). كلا الضجيج يعتمد على الطول الموجي ، والطاقة الضوئية وطول الكتف. ضجيج الضغط الإشعاعي أقل ، كلما زادت كتلة المرايا. الائتمان: [1].


حساسية للضوء السلطة $$$P_0 دولا$ : يتم تقليل ضوضاء اللقطة (الأزرق) ، وزيادة ضجيج الضغط الإشعاعي (الأخضر) بالتناسب

7. الغاز المتبقي في نظام الفراغ (جميع الترددات ، ولكن لا يحد منه الآن): الفراغ الفائق في النظام ليس دائمًا مثاليًا ، ويمكن لجزيئات الغاز المتبقية أن تنتشر الضوء. يمكن أن تكون صغيرة بشكل تعسفي (اعتمادا على نوعية المضخات).

8. ضوضاء الليزر الكلاسيكية (لا تحد): يمكن أن تتقلب طاقة الليزر وتردده لأسباب كلاسيكية (الضوضاء الحرارية ، الاهتزاز). يشتمل نظام الليزر على أشعة ليزر فائقة الاستقرار وأنظمة متعددة المستويات لمراقبة تردد الليزر وقوته.

يمكن تقسيم كل هذه الضوضاء إلى مجموعتين: تقلبات الطاقة تؤدي إلى إزاحة جسمانية للمرايا (الضوضاء 1-3 و 6) ، والتنسيق - تؤدي التقلبات إلى تغيير في مرحلة الضوء ، ولكن لا تحل محل المرايا (الضوضاء 4 و 5 و 7).

ضوضاء السلطة $$$F$ تسبب التحيز $$$x$ اختبار كتلة وفقا لقانون نيوتن $$$m \ ddot {x} = F$ أو في نطاق التردد: $$$x (\ Omega) = F (\ Omega) / (m \ Omega ^ 2)$ . وهذا يعني ، يمكن تقليل هذه الضوضاء عن طريق زيادة كتلة المرايا.

لا يمكن لتصميم LIGO أن يحل بشكل أساسي مشكلة الضوضاء النيوتونية 2 ، ودون إصلاح كامل للأنظمة البصرية ، مشكلة الضوضاء الحرارية للمرايا 4.

في مزيد من التفاصيل حول الضوضاء ، يمكنك قراءة مقالة رائعة حول LIGO على Habré .

3. كيف سيحل الكاشف الجديد هذه المشكلات

سوف كاغرا تحت الارض للكشف عن الانضمام إلى الملاحظات العام المقبل.

لذلك ، سوف يكون الكاشف الجديد تحت الأرض. هذا سوف يقلل من الضوضاء الزلزالية 1 ، والأهم من ذلك ، الضوضاء النيوتونية 2: المساهمة الرئيسية في ذلك ناتجة عن موجات سطحية ، والتي لا تكاد تكون تحت الأرض.

حسب المكان الذي سيتم فيه بناء الكاشف (يوجد الآن خياران رئيسيان - في هولندا أو في سردينيا ، وربما في المجر).


مقارنة البيانات الزلزالية في مواقع مختلفة محتملة مع كاشف AdvancedVirgo في إيطاليا.

بالطبع ، سيتم اتخاذ الخطوات الفنية الأكثر وضوحًا لقمع الزلازل: نظام تعليق جديد للعزل السلبي والمرايا الأثقل التي يبلغ وزن كل منها 200 كجم لقمع كل ضوضاء الطاقة.


واحدة من المحطات الأساسية لتلسكوب أينشتاين مع العديد من الغرف المفرغة. الائتمان: gwoptics.org

مشكلة الضوضاء الحرارية للمرايا أكثر تعقيدًا. يتمثل الحل الواضح في تبريد المرايا ، وبالتالي تقليل الضوضاء البراونية.

ومع ذلك ، فإن التبريد يغير الخصائص البصرية للمرايا ، ويزيد من الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك ، من المستحيل استخدام قوى كبيرة من الضوء مع المرايا الباردة: الامتصاص في المرايا سيؤدي إلى تسخينها وتقليل التبريد إلى لا شيء. وهذا هو ، هل تحتاج إلى تبريد الكاشف وتقليل الطاقة الضوئية؟ هذا لن ينجح أيضًا - ستزيد الضوضاء الصادرة (4) ، وسيتم إفساد الحساسية عند الترددات المنخفضة.

توصل العلماء إلى حل آخر: استخدم مقياسين للتداخل في مكان واحد.


تكوين كاشف "إكسيليفون" مع اثنين من تداخل مضمن في بعضها البعض. الائتمان: A. Freise et al، CQG 26 (2009) 085012

سيتم تحسين الجهاز من أجل الترددات المنخفضة ، والعمل مع المرايا المبردة حتى 20 كيلو ، واستخدام الطاقة المنخفضة للضوء. ستزداد ضوضاء اللقطة ، لكن لن يتم استخدام الكاشف عند الترددات حيث تكون ضوضاء اللقطة مهمة. سيعمل الكاشف الثاني في درجة حرارة الغرفة عند استخدام الطاقة العالية: سيؤدي ذلك إلى قمع ضوضاء اللقطة عند الترددات العالية ، لكنه يفسد الحساسية عند الترددات المنخفضة مع زيادة ضوضاء الضغط الإشعاعي. لكن هذا الكاشف لن يستخدم على ترددات منخفضة. نتيجة لذلك ، ستكون الحساسية المدمجة هي الأمثل في جميع الترددات.


كاشف التردد المنخفض ET-D-LF مع المرايا المبردة والقدرة المنخفضة (وضغط إشعاع منخفض الضوضاء) و ET-D-HF عالي التردد مع الطاقة العالية (والضوضاء المنخفضة بالرصاص). الائتمان: [1]

مشكلة أخرى للجيل الجديد من أجهزة الكشف: في وقت البناء ، ستكون هي الوحيدة التي لديها مثل هذه الحساسية. أولاً ، لن يكون من الممكن التمييز بين الرشقة العشوائية والإشارة إذا لم يكن من الممكن التحقق من الصدفة بين أجهزة الكشف. ثانياً ، لن يكون من الممكن قياس الاستقطابات المختلفة للموجات الجاذبية. يقترح العلماء بناء ليس كاشفًا واحدًا ، بل ثلاثة يقترحون توجهات مختلفة (في شكل مثلث ، كما في الصورة).


مفهوم التكوين الثلاثي للكاشف (يسار) ؛ الأنفاق مع أكتاف مختلفة (يمين).

سيؤدي ذلك إلى تحسين نمط إشعاع كاشف وتسجيل المزيد من الأحداث:


مقارنة بين مخطط إشعاع كاشف واحد (يسار) وثلاثة كاشفات في تكوين مثلثي (يمين).

اسمحوا لي أن أذكرك بأن كل واحد منهما سيتألف من اثنين: واحد للترددات المنخفضة والآخر للترددات العالية. نتيجة لذلك ، سيكون ستة مكشافات موجودة في مثلث.



ستزيد كل هذه الحيل من حساسية أجهزة الكشف بمقدار لا يقل عن حجم.
ستزيد هذه الحساسية من نطاق المراقبة إلى حدود الكون المرئي تقريبًا ، وانظر دمج BH للجيل الأول من النجوم ومراقبة اندماج الثقوب السوداء ونجوم النيوترون باستمرار.

زيادة الحساسية عند الترددات المنخفضة ستمكن من مراقبة المراحل المبكرة من دمج الكائنات ، والحصول على مزيد من المعلومات حول المعلمات الخاصة بهم.

سوف تجعل الترددات العالية من الممكن ملاحظة تطور الثقب الأسود أو النجم النيوتروني الناتج عن الانصهار. هذا الوضع هو الأكثر إثارة للاهتمام للتحقق من النسبية العامة والبدائل الممكنة. على سبيل المثال ، يمكن ملاحظة صدى موجة الجاذبية بدقة عند الترددات العالية.


مقارنة بين حساسية ET و LIGO العذراء

ولكن الشيء الأكثر أهمية هو أنه لن يكون مجرد كاشف ، ولكن بنية تحتية كاملة ستسمح بزيادة حساسية كاشف لعدة عقود.

4. الخلاصة

ما لم أذكره

لم أناقش بعد هذا الجزء المهم من ET كأنظمة قمع الضوضاء الكمومية التي تستخدم الضوء المعتمد على التردد. يمكنك قراءة المزيد عن الضوء المضغوط في مقال ممتاز حول Habré . أخطط للتحدث أكثر عن الضوضاء الكمومية في المكشاف في مقال مقبل.

بالإضافة إلى ذلك ، سوف يستخدم ET ما يسمى الصلابة الضوئية - تضخيم الإشارة بسبب التفاعل غير الخطي بين المذبذب الميكانيكي والضوء داخل الرنانات. المزيد عن الميكانيكا الكمومية - علم التفاعل بين الأنظمة الميكانيكية والضوء - قريبًا على هابري ؛)

بالطبع ، لقد تطرقت فقط إلى الميزات الأساسية لـ ET ، فهناك الكثير من التفاصيل - مرحبًا بك في التعليقات.

بالإضافة إلى ذلك ، لم أذكر أنه تم التخطيط لإنشاء تلسكوب أرضي طويل المدى بطول 40 كيلومترًا في الولايات المتحدة ، لكن تصميمه لا يزال أقل تطوراً من ET ، لذلك لن أخبرك بأي تفاصيل مثيرة للاهتمام.

حالة تلسكوب أينشتاين

لم تتلق ET بعد موافقة المفوضية الأوروبية. البلدان الفردية تستثمر في البحوث الأولية. يتم تدريجيا تشكيل التعاون. يمكنك قراءة الموقع الرسمي والانضمام إلى التعاون من خلال توقيع خطاب النوايا .

وفقًا للخطة ، ستنظر أوروبا أو العامين المقبلين في طلب الإنشاء والموافقة على الموقع. سيحدث إطلاق ET في هذه الحالة في أوائل الثلاثينيات.


أحد الخيارات هو مثلث على الحدود بين ألمانيا وبلجيكا وهولندا ، حيث يوجد في كل دولة محطة ركن واحدة. سيكون رمزًا لأوروبا الموحدة.

أخبار ليغو

وفي الوقت نفسه ، أعلنت LIGO نتائج معالجة البيانات من دورة مراقبة O2 السابقة: كانت هناك أربع عمليات اندماج جديدة في الثقب الأسود. وهكذا ، طوال الوقت الذي شهدت فيه LIGO بالفعل 10 عمليات اندماج من الثقوب السوداء ودمج واحد من النجوم النيوترونية. سيتم تقديم جميع البيانات غدًا رسميًا ، وسأكمل المقال ببعض التفاصيل.

UPD: لذلك ، تم نشر كتالوج جديد من موجات الجاذبية على ARXiv ، جنبا إلى جنب مع تحليل محدث للبيانات لجميع الأحداث. لا توجد اكتشافات مثيرة ، لكننا رأينا بالفعل 10 عمليات اندماج ثقوب سوداء ، وهذا بحد ذاته شيء رائع.

كلنا نعرف ثقوبًا سوداء (كتل شمسية) ونجوم نيوترونية ، بما في ذلك ملاحظات LIGO-Virgo. يمكنك مشاهدته على الانترنت. الائتمان: ليغو العذراء / فرانك Elavsky / شمال غرب

في غضون ذلك ، يتم تحديث أجهزة الكشف بالكامل ، وتهدف إلى زيادة حساسيتها ، ومن المقرر إطلاقها في ربيع عام 2019 في دورة مراقبة O3 السنوية الجديدة. ستكون الحساسية كبيرة لدرجة أنه من المخطط في المتوسط ​​مراقبة حدث واحد في الأسبوع. في صيف عام 2019 ، وفقًا للخطة ، سينضم كاشف KARGA الياباني إلى جهازين للكشف عن LIGO وكاشف العذراء.

ستكون دورة O3 مثيرة للاهتمام للعلوم المفتوحة ، حيث سيتم الآن الإعلان عن جميع المرشحين المحتملين لعمليات الدمج في الوقت الفعلي جنبًا إلى جنب مع تقييم لمصدرهم ، مما سيتيح لجميع المهتمين إجراء ملاحظات في نطاقات أخرى. مزيد من التفاصيل هنا .

بدأ عصر علم فلك الموجة الجاذبية ، هناك الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام. ترقبوا!

أدعوك أيضًا إلى قراءة المنشورات السابقة ، حيث أخبرك عن سبب أهمية ملاحظة النجوم النيوترونية في غيغابايت ، وما هي الفيزياء المثيرة للاهتمام التي تسمح لنا بدراسة عمليات الدمج بين الثقوب السوداء ، وكيف يمكن أن تعمل LIGO بشكل عام إذا كانت الجيجابايت تمد الضوء بالفضاء.