Zum vierten Mal gefangene Gravitationswellen: Wie der neue Advanced Virgo-Detektor half

Heute kündigte die Zusammenarbeit von LIGO & Virgo (sie wird in PRL veröffentlicht, der Artikel kann hier gelesen werden ) eine neue Detektion von Gravitationswellen an (GW170814). Die ersten drei Ereignisse ( eins , zwei , drei ) wurden auf zwei LIGO-Detektoren in den USA aufgezeichnet. Am 1. August schloss sich der in Italien ansässige European Advanced VIRGO- Detektor den Beobachtungen an. Und am 14. August wurden von allen drei Detektoren Gravitationswellen aus dem Zusammenfluss zweier Schwarzer Löcher entdeckt.


Bewertung des Standorts aller registrierten Gravitationswellenquellen. GW170814 wird aufgrund der Verwendung von Daten von drei Detektoren mit viel größerer Genauigkeit definiert.

Über Signal

Obere Reihe: Signal-Rausch-Verhältnis für drei LIGO Hanford-, LIGO Livingston- und Virgo-Detektoren; mittlere Reihe: Änderung des Spektrums des Signals über die Zeit; untere Reihe: Zeitsignal (Farbe), gefiltertes Signal (grau) und überlagertes GR-Modell (schwarz)

Wie in den vorangegangenen drei Malen war die Quelle des Signals das Verschmelzen der Schwarzen Löcher der Sonnenmassen 25 und 30 in einer Entfernung von etwa 1,5 Milliarden Lichtjahren. Infolge der Fusion wurde ein Schwarzes Loch mit einer Masse von ~ 53 aus der Sonnenmasse gebildet, und ~ 2,7 Sonnenmassen wurden in Gravitationswellen umgewandelt. Das Signal-Rausch-Verhältnis 18 gibt die Wahrscheinlichkeit eines fehlerhaften Signals 1 in 27.000 Jahren an. Das Signal selbst korreliert gut mit GR, hier gibt es keine Überraschungen. Das interessanteste ist die Tatsache der Erkennung auf drei Detektoren und das zusätzliche Wissen, das wir daraus erhalten können.

Fortgeschrittene Jungfrau

Der europäische Detektor befindet sich in der Nähe von Pisa in Italien. Die Virgo-Zusammenarbeit bringt Wissenschaftler aus Italien, Frankreich, Holland, Polen und Ungarn zusammen. Der Detektor selbst ähnelt Advanced LIGO, ist jedoch aus mehreren Gründen weniger empfindlich: Er ist etwas kürzer - die Armlänge des Interferometers beträgt 3 km und nicht 4 wie bei LIGO. Aufhängungen von Spiegeln bestehen aus Metall (weniger Qualitätsfaktor und mehr thermisches Rauschen); der Laser ist weniger leistungsfähig; Lärmschutz- und Filtersysteme in einem früheren Stadium der Implementierung.

Infolgedessen ist die Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen um ein Vielfaches niedriger als bei LIGO, und der Detektor selbst ist ziemlich verrauscht. Das ungefilterte Rauschen der Stromversorgung bei 50 Hz sowie Spitzen von verschiedenen Steuersignalen sind im Spektrum deutlich sichtbar.


Spektrale Rauschdichte von Detektoren (mit gefilterten bekannten Rauschen). Je geringer das Rauschen ist, desto höher ist die Empfindlichkeit des Detektors.

Wie hilft ein dritter Detektor bei der Erkennung?

Die geringe Empfindlichkeit von Virgo macht es schwierig, das Signal im Rauschen zu erkennen (wie im zweiten Bild des Artikels zu sehen ist), und ohne LIGO würde dieses Signal nicht als ausreichend zuverlässig erkannt. In Kombination mit zwei LIGO-Detektoren können Sie den Quellort jedoch mit viel größerer Genauigkeit triangulieren.


Region, in der sich die Signalquelle am Himmel befindet: gelb - nur LIGO, grün - LIGO und Jungfrau zusammen, lila - Bayesianische Schätzung des Standorts unter Berücksichtigung aller Parameter des auf LIGO und Jungfrau basierenden Modells. Rechts: Geschätzter Quellbereich.

Darüber hinaus ermöglicht der dritte Detektor, der sich in einer anderen Ebene befindet, Schätzungen der Polarisation der hektischen Partikel. In der allgemeinen Relativitätstheorie dehnen und komprimieren Gravitationswellen den Raum senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, und es gibt zwei Polarisationen (x und +).

Bild von Tom Dunne

Wenn der HW genau senkrecht zur Ebene des Interferometers am Detektor ankommt und die Ausrichtung der Arme mit der Polarisation übereinstimmt, erreicht die Signalamplitude ein Maximum. Wenn zum Beispiel eine x-polarisierte Welle am Detektor ankommt, die um 45 Grad relativ dazu gedreht ist, werden beide Arme auf die gleiche Weise gedehnt, und das Interferenzmuster am Ausgang ändert sich nicht, dh es gibt kein Signal. Wenn sich zwei Detektoren in unterschiedlichen Ebenen befinden, wie LIGO und Virgo, unterscheidet sich die Signalamplitude nicht nur aufgrund der Steigung relativ zur Ausbreitungsrichtung, sondern auch aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung des Detektors in Bezug auf die Polarisation. Dies ermöglicht es, die Polarisation des HS abzuschätzen. Beide LIGO-Detektoren befinden sich fast in derselben Ebene und haben eine enge Ausrichtung, aber Virgo befindet sich in einem großen Winkel, was die Schätzungen erheblich verbessert.

Ein interessanter Punkt ist hier der folgende: Metrische Gravitationstheorien (und GR ist nur eine davon) erlauben nicht nur Tensor (wie in GR), sondern auch Vektor- und Skalarpolarisation. Durch die Möglichkeit, die Polarisation zu messen, können wir überprüfen, ob wir die Tensorpolarisation wirklich messen. Hierzu werden die gleichen Berechnungen für die Fusion wie im Fall von GR unter der Annahme einer Skalar- oder Vektorpolarisation durchgeführt und das Ergebnis mit dem realen Signal verglichen. Infolgedessen erweist sich GR als wahrscheinlicheres Modell als rein skalar oder rein vektoriell.

Was weiter?

Der zweite Beobachtungszyklus ist abgeschlossen, und die Wissenschaftler verarbeiten die Daten. Die Detektoren sind in Betrieb, und der nächste Wissenschaftszyklus beginnt irgendwann in einem Jahr. Während dieser Zeit wird die Leistung der Laser erhöht, die Verluste aufgrund von Lichtstreuung werden verringert und möglicherweise wird komprimiertes Licht hinzugefügt.

Bleib dran!

Ergänzungen

1. Schöne Simulation der Zusammenführung von BH
   
   
2. Schönes Bild des Himmels mit Quellen von GV

   
   
3. Interaktive Himmelskarte mit Federn
4. In einem früheren Artikel und Diskussionen darüber war ich schlampig darin, Grav zu erkennen. Wellen können helfen, die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung abzuschätzen.
   
   
   Details

   Insbesondere sagte ich, dass die Verwendung von zwei Detektoren für die „Triangulation“ eine gute Einschätzung dieser Geschwindigkeit liefern kann.
   Dies ist nicht der Fall. Wenn Sie die Geschwindigkeit einfach anhand der Verzögerung des Signals zwischen den beiden Detektoren bewerten, können Sie diese Geschwindigkeit nur begrenzen. Die Ausbreitungsrichtung unter Verwendung von zwei Detektoren ist schwierig zu bestimmen, und selbst unter Verwendung von Daten aus allen Detektionen kann die Schätzung unter Berücksichtigung aller Unsicherheiten mit einer Genauigkeit von 50% angegeben werden. Sogar drei Detektoren liefern innerhalb eines Prozentsatzes eine ziemlich geringe Genauigkeit. Hier können Sie mehr lesen.
   Die Schätzung, die ich gegeben habe, stammt aus der Schätzung für die Streuung von Gräbern. Wellen unter der Annahme der Gültigkeit von GR. Das heißt, die Detektion erlaubt es uns, mit sehr großer Genauigkeit zu sagen, dass es keine Streuung von GW gibt, und daher ist ihre Geschwindigkeit gemäß GR gleich der Lichtgeschwindigkeit.
   Vielen Dank an Serge3leo für die Korrekturen.