Gelombang gravitasi ditangkap untuk keempat kalinya: bagaimana detektor Advanced Virgo baru membantu

Hari ini, kolaborasi LIGO & Virgo mengumumkan (akan dipublikasikan di PRL, artikelnya dapat dibaca di sini ) tentang deteksi baru gelombang gravitasi (GW170814). Tiga peristiwa pertama ( satu , dua , tiga ) direkam pada dua detektor LIGO di AS. Pada 1 Agustus, detektor Advanced VIRGO Eropa, yang terletak di Italia, bergabung dengan pengamatan. Dan pada 14 Agustus, gelombang gravitasi dari pertemuan dua lubang hitam terdeteksi oleh ketiga detektor.


Penilaian lokasi semua sumber gelombang gravitasi terdaftar. GW170814 didefinisikan dengan akurasi yang jauh lebih besar karena penggunaan data dari tiga detektor.

Tentang sinyal

Baris atas: rasio signal-to-noise untuk tiga detektor LIGO Hanford, LIGO Livingston dan Virgo; baris tengah: perubahan spektrum sinyal dari waktu ke waktu; baris bawah: sinyal waktu (warna), sinyal yang disaring (abu-abu) dan model GR yang ditumpangkan (hitam)

Seperti pada tiga kali sebelumnya, sumber sinyal adalah lubang hitam penggabungan massa matahari 25 dan 30, pada jarak sekitar 1,5 miliar tahun cahaya. Sebagai hasil dari merger, sebuah lubang hitam terbentuk dengan massa ~ 53 dari yang surya, dan ~ 2,7 massa matahari diubah menjadi gelombang gravitasi. Rasio sinyal terhadap noise 18 memberikan kemungkinan sinyal salah 1 dalam 27 ribu tahun. Sinyal itu sendiri berkorelasi baik dengan GR, tidak ada kejutan di sini. Yang paling menarik adalah fakta deteksi pada tiga detektor, dan pengetahuan tambahan yang bisa kita dapatkan dari ini.

Virgo lanjut

Detektor Eropa terletak di dekat Pisa, di Italia. Kolaborasi Virgo menyatukan para ilmuwan dari Italia, Prancis, Belanda, Polandia dan Hongaria. Detektor itu sendiri mirip dengan Advanced LIGO, tetapi dengan sensitivitas kurang karena beberapa faktor: agak lebih pendek - panjang lengan interferometer adalah 3 km, bukan 4, seperti pada LIGO; suspensi cermin terbuat dari logam (faktor kualitas kurang dan lebih banyak kebisingan termal); lasernya kurang kuat; kontrol kebisingan dan sistem penyaringan pada tahap awal implementasi.

Akibatnya, sensitivitas pada frekuensi tinggi beberapa kali lebih rendah daripada LIGO, dan detektor itu sendiri sangat bising. Suara tanpa gangguan dari catu daya pada 50 Hz, serta puncak dari sinyal kontrol yang berbeda, terlihat jelas pada spektrum.


Densitas kebisingan spektral dari detektor (dengan suara yang dikenal menyaring). Semakin rendah noise, semakin tinggi sensitivitas detektor.

Bagaimana detektor ketiga membantu deteksi?

Rendahnya sensitivitas Virgo membuat sulit untuk mengenali sinyal dalam noise (seperti dapat dilihat pada gambar kedua dalam artikel), dan tanpa LIGO sinyal ini tidak akan dikenali sebagai cukup dapat diandalkan. Namun, dalam kombinasi dengan dua detektor LIGO, ini memungkinkan Anda untuk melakukan triangulasi lokasi sumber dengan akurasi yang jauh lebih besar.


Wilayah tempat sumber sinyal berada di langit: kuning - hanya LIGO, hijau - LIGO dan Virgo, ungu - Bayesian perkiraan lokasi, dengan mempertimbangkan semua parameter model berdasarkan LIGO dan Virgo. Kanan: Perkiraan rentang sumber.

Selain itu, detektor ketiga, yang terletak di bidang yang berbeda, memungkinkan seseorang membuat perkiraan untuk polarisasi partikel yang sibuk. Dalam relativitas umum, gelombang gravitasi meregang dan memampatkan ruang tegak lurus terhadap arah perambatannya, dan ada dua polarisasi (x dan +)

Gambar oleh Tom Dunne

Ketika HW tiba di detektor yang tegak lurus terhadap bidang interferometer dan orientasi lengan bertepatan dengan polarisasi, amplitudo sinyal mencapai maksimum. Jika, misalnya, gelombang x terpolarisasi tiba pada detektor yang diputar 45 derajat relatif terhadapnya, kedua lengan diregangkan dengan cara yang sama, dan pola interferensi pada output tidak berubah, yaitu, tidak akan ada sinyal. Jika ada dua detektor yang terletak di bidang yang berbeda, seperti LIGO dan Virgo, amplitudo sinyal akan berbeda tidak hanya karena kemiringan relatif terhadap arah propagasi, tetapi juga karena orientasi detektor yang berbeda sehubungan dengan polarisasi. Ini memungkinkan untuk memperkirakan polarisasi HS. Kedua detektor LIGO hampir di bidang yang sama dan memiliki orientasi yang dekat, tetapi Virgo terletak pada sudut yang besar, yang sangat meningkatkan perkiraan.

Poin yang menarik di sini adalah sebagai berikut: teori gravitasi metrik (dan GR hanya salah satunya) memungkinkan tidak hanya tensor (seperti dalam GR), tetapi juga vektor dan polarisasi skalar. Kemampuan untuk mengukur polarisasi memungkinkan kita untuk memeriksa apakah kita benar-benar mengukur polarisasi tensor. Untuk ini, perhitungan yang sama untuk merger, seperti dalam kasus GR, dilakukan dengan asumsi skalar atau polarisasi vektor, dan hasilnya dibandingkan dengan sinyal nyata. Akibatnya, GR ternyata menjadi model yang lebih mungkin daripada murni skalar atau murni vektorial.

Apa selanjutnya

Siklus pengamatan kedua selesai, dan para ilmuwan memproses data. Detektor sedang beroperasi, dan siklus sains berikutnya akan dimulai di suatu tempat dalam setahun. Selama waktu ini, kekuatan laser akan meningkat, kerugian akibat hamburan cahaya akan berkurang, dan, mungkin, cahaya terkompresi akan ditambahkan.

Tetap disini!

Penambahan

1. Simulasi indah penggabungan BH
   
   
2. Gambar indah langit dengan sumber GV

   
   
3. Peta langit interaktif dengan mata air
4. Dalam artikel sebelumnya dan diskusi tentang itu, saya ceroboh dalam cara mendeteksi grav. gelombang dapat membantu memperkirakan kecepatan rambatannya.
   
   
   Detail

   Secara khusus, saya mengatakan bahwa penggunaan dua detektor untuk "triangulasi" dapat memberikan penilaian yang baik tentang kecepatan ini.
   Ini tidak benar, jika Anda mengevaluasi kecepatan hanya dengan menunda sinyal antara kedua detektor, Anda hanya dapat membatasi kecepatan ini. Arah propagasi menggunakan dua detektor sulit untuk ditentukan, dan bahkan menggunakan data dari semua deteksi, tetapi dengan mempertimbangkan semua ketidakpastian, estimasi dapat diberikan dengan akurasi 50%. Bahkan tiga detektor memberikan akurasi yang cukup rendah, dalam persentase. Di sini Anda dapat membaca lebih lanjut.
   Perkiraan yang saya berikan berasal dari perkiraan untuk penyebaran kuburan. wave, dengan asumsi validitas GR. Yaitu, deteksi memungkinkan kita untuk mengatakan dengan sangat akurat bahwa tidak ada dispersi GW, dan oleh karena itu, sesuai dengan GR, kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya.
   Terima kasih kepada Serge3leo untuk koreksi.