Ondas gravitacionais capturadas pela quarta vez: como o novo detector Advanced Virgo ajudou

Hoje, a colaboração LIGO & Virgo anunciou (será publicada na PRL, o artigo pode ser lido aqui ) sobre uma nova detecção de ondas gravitacionais (GW170814). Os três primeiros eventos ( um , dois , três ) foram registrados em dois detectores LIGO nos EUA. Em 1º de agosto, o detector European Advanced VIRGO , localizado na Itália, juntou-se às observações. E em 14 de agosto, ondas gravitacionais da confluência de dois buracos negros foram detectadas pelos três detectores.


Avaliação da localização de todas as fontes registradas de ondas gravitacionais. O GW170814 é definido com uma precisão muito maior devido ao uso de dados de três detectores.

Sobre o sinal

Linha superior: relação sinal / ruído para três detectores LIGO Hanford, LIGO Livingston e Virgo; linha do meio: alteração no espectro do sinal ao longo do tempo; linha inferior: sinal de hora (cor), sinal filtrado (cinza) e modelo GR sobreposto (preto)

Como nos três tempos anteriores, a fonte do sinal foi a fusão de buracos negros das massas solares 25 e 30, a uma distância de cerca de 1,5 bilhão de anos-luz. Como resultado da fusão, um buraco negro foi formado com uma massa de ~ 53 a partir da solar, e ~ 2,7 massas solares foram transformadas em ondas gravitacionais. A razão sinal-ruído 18 fornece a probabilidade de um sinal incorreto 1 em 27 mil anos. O sinal em si se correlaciona bem com o GR, não há surpresas aqui. O mais interessante é o fato da detecção em três detectores e o conhecimento adicional que podemos obter disso.

Virgem avançado

O detector europeu está localizado perto de Pisa, na Itália. A colaboração de Virgem reúne cientistas da Itália, França, Holanda, Polônia e Hungria. O detector em si é semelhante ao Advanced LIGO, mas com menos sensibilidade devido a vários fatores: é um pouco menor - o comprimento do braço do interferômetro é de 3 km, e não de 4, como no LIGO; suspensões de espelhos são feitas de metal (menos fator de qualidade e mais ruído térmico); o laser é menos poderoso; sistemas de controle e filtragem de ruído em um estágio inicial de implementação.

Como resultado, a sensibilidade em altas frequências é várias vezes menor que o LIGO e o próprio detector é bastante barulhento. O ruído não filtrado da fonte de alimentação a 50 Hz, bem como os picos de diferentes sinais de controle, são claramente visíveis no espectro.


Densidade espectral do ruído dos detectores (com ruídos conhecidos filtrados). Quanto menor o ruído, maior a sensibilidade do detector.

Como um terceiro detector ajuda na detecção?

A baixa sensibilidade do Virgo dificulta o reconhecimento do sinal no ruído (como pode ser visto na segunda figura no artigo), e sem o LIGO esse sinal não seria reconhecido como suficientemente confiável. No entanto, em combinação com dois detectores LIGO, permite triangular a localização da fonte com uma precisão muito maior.


Região onde a fonte de sinal está localizada no céu: amarelo - somente LIGO, verde - LIGO e Virgo juntos, roxo - estimativa bayesiana da localização, levando em consideração todos os parâmetros do modelo baseado em LIGO e Virgo. Direita: intervalo estimado de fontes.

Além disso, o terceiro detector, localizado em um plano diferente, permite fazer estimativas para a polarização das partículas agitadas. Na relatividade geral, as ondas gravitacionais se esticam e comprimem o espaço perpendicularmente à direção de sua propagação, e existem duas polarizações (x e +)

Imagem por Tom Dunne

Quando o HW chega ao detector estritamente perpendicular ao plano do interferômetro e a orientação dos braços coincide com a polarização, a amplitude do sinal atinge o máximo. Se, por exemplo, uma onda polarizada x chega a um detector girado 45 graus em relação a ela, os dois braços são esticados da mesma maneira e o padrão de interferência na saída não muda, ou seja, não haverá sinal. Se houver dois detectores localizados em planos diferentes, como LIGO e Virgo, a amplitude do sinal será diferente não apenas devido à inclinação em relação à direção da propagação, mas também devido à orientação diferente do detector em relação à polarização. Isso torna possível estimar a polarização do HS. Os dois detectores LIGO estão quase no mesmo plano e têm uma orientação próxima, mas o Virgo está localizado em um ângulo amplo, o que melhora muito as estimativas.

Um ponto interessante aqui é o seguinte: as teorias métricas da gravidade (e GR é apenas uma delas) permitem não apenas tensor (como em GR), mas também polarização vetorial e escalar. A capacidade de medir a polarização nos permite verificar se realmente medimos a polarização do tensor. Para isso, os mesmos cálculos para a fusão, como no caso de GR, são realizados sob o pressuposto de polarização escalar ou vetorial, e o resultado é comparado com o sinal real. Como resultado, o GR acaba sendo um modelo mais provável do que puramente escalar ou puramente vetorial.

O que vem a seguir?

O segundo ciclo de observações é concluído e os cientistas processam os dados. Os detectores estão em serviço e o próximo ciclo científico começará em algum lugar do ano. Durante esse período, a potência dos lasers será aumentada, as perdas devido à dispersão da luz serão reduzidas e, possivelmente, será adicionada luz compactada .

Fique atento!

Adições

1. Bela simulação de fusão BH
   
   
2. Bela imagem do céu com fontes de GV

   
   
3. Mapa interativo do céu com molas
4. Em um artigo anterior e discussões sobre isso, eu estava desleixado em como detectar a gravidade. as ondas podem ajudar a estimar a velocidade de sua propagação.
   
   
   Detalhes

   Em particular, eu disse que o uso de dois detectores para "triangulação" pode dar uma boa avaliação dessa velocidade.
   Isso não é verdade, se você avaliar a velocidade simplesmente pelo atraso do sinal entre os dois detectores, poderá limitar essa velocidade. A direção da propagação usando dois detectores é difícil de determinar, e mesmo usando dados de todas as detecções, mas levando em consideração todas as incertezas, a estimativa pode ser fornecida com uma precisão de 50%. Até três detectores fornecem precisão bastante baixa, dentro de uma porcentagem. Aqui você pode ler mais.
   A estimativa que eu dei vem da estimativa para a dispersão de sepulturas. ondas, assumindo a validade de GR. Ou seja, a detecção nos permite dizer com muita precisão que não há dispersão de GW e, portanto, de acordo com o GR, sua velocidade é igual à velocidade da luz.
   Obrigado a Serge3leo pelas correções.