Детектор гравітаційних хвиль

Детектор гравітаційних хвиль (гравітаційний телескоп) — пристрій, призначений для реєстрації гравітаційних хвиль. З 1960-х років створювалися і постійно вдосконалювалися різні види детекторів гравітаційних хвиль. Сучасне покоління детекторів досягло необхідної чутливості для виявлення гравітаційних хвиль від астрономічних джерел, таким чином започаткувавши гравітаційно-хвильову астрономію.

Перше пряме спостереження гравітаційних хвиль було здійснено у вересні 2015 року обсерваторіями LIGO, виявивши гравітаційні хвилі з довжиною хвилі в кілька тисяч кілометрів від подвійної чорної діри зоряної маси. У червні 2023 року чотири колаборації масивів таймінгу пульсарів представили перші переконливі докази гравітаційно-хвильового фону із довжиною хвилі в світлові роки, скоріш за все, від багатьох подвійних надмасивних чорних дір[1].

Типи детекторів

Безпосереднє виявлення гравітаційних хвиль ускладнюється надзвичайно малим ефектом, який хвилі справляють на детектор. Амплітуда сферичної хвилі зменшується як обернено пропорційно відстані від джерела. Таким чином, хвилі навіть від таких високоенергійних подій, як злиття чорних дір, досягаючи Землі, зменшуються до дуже малої амплітуди[2].

Резонансні детектори

Найбільш поширені два типи детекторів гравітаційних хвиль. Один з типів, вперше реалізований Джозефом Вебером (Мерілендський університет) в 1967, являє собою гравітаційну антену — як правило, це металева масивна болванка, охолоджена до низької температури. Розміри детектора при падінні на нього гравітаційної хвилі змінюються, і якщо частота хвилі збігається з резонансною частотою антени, амплітуда коливань антени може стати настільки великою, що коливання можна детектувати. У піонерському експерименті Вебера антена являла собою алюмінієвий циліндр довжиною 2 м і діаметром 1 м, підвішений на сталевих тросах; резонансна частота антени становила 1660 Гц, амплітудна чутливість п'єзодатчиків — 10-16 м. Вебер використовував два детектора, які працювали на збіги, і повідомив про виявлення сигналу, джерелом якого з найбільшою ймовірністю був центр Галактики. Однак незалежні експерименти не підтвердили спостережень Вебера. З діючих останнім часом детекторів за таким принципом працює сферична антена MiniGRAIL (Лейденський університет, Голландія), а також антени ALLEGRO, AURIGA, EXPLORER та NAUTILUS.

Лазерні інтерферометри

Схема лазерного інтеферометра

В іншому типі експериментів з детектування гравітаційних хвиль вимірюється зміна відстані між двома пробними масами за допомогою лазерного інтерферометра Майкельсона. У двох довгих (довжиною в кілька сот метрів або навіть кілометрів) перпендикулярних один одному вакуумних камерах підвішуються дзеркала. Лазерний промінь розщеплюється, йде по обох камерах, відбивається від дзеркал, повертається назад та знову з'єднується. У «спокійному» стані довжини підібрані так, що ці два промені після з'єднання в напівпрозорому дзеркалі гасять один одного (деструктивно інтерферують), і освітленість фотодетектора виявляється нульовою. Але варто лише якомусь із дзеркал зміститися на мікроскопічну відстань (причому йдеться про відстань на порядки менше світлової хвилі — тисячні частки розміру атомного ядра), як компенсація двох променів стане неповною та фотодетектор вловить світло.

Останнім часом гравітаційні телескопи такого типу працюють в рамках американо-австралійського проекту LIGO (найбільш чутливий), німецько-англійського GEO600, японського TAMA-300 та франко-італійського VIRGO.

Масиви таймінгу пульсарів

Докладніше: Масив таймінгу пульсарів

Інший підхід до виявлення гравітаційних хвиль використовується масивами таймінгу пульсарів, такими як EPTA[3], NANOGrav[4] і Parkes Pulsar Timing Array[5]. Ці проєкти намагаються виявляти гравітаційні хвилі за їхнім впливом на сигнали від масиву з 20–50 добре відомих мілісекундних пульсарів. Коли гравітаційна хвиля стискає простір в одному напрямку і розширює в іншому, час прибуття сигналів пульсарів з цих напрямків зміщується. Вивчаючи набір пульсарів по всьому небу, ці масиви здатні виявляти гравітаційні на частотах порядку наногерц. Сигнали на таких частотах можуть випромінюватись, наприклад, подвійними надмасивними чорними дірами[6].

У червні 2023 року чотири вищезгадані колаборації масивів таймінгу пульсарів представили незалежні, але подібні докази гравітаційно-хвильового фону наногерцевих гравітаційних хвиль. Джерело цього фону поки не вдалося визначити[7][8][9][10].

Пошук проявів гравітаційних хвиль в реліктовому випромінюванні

Телескоп BICEP2 (праворуч, на даху) на станції Амундсен-Скотт на Південному полюсі

Реліктове випромінювання може містити відбиток гравітаційних хвиль з дуже раннього Всесвіту. Поляризація реліктового випромінювання може бути розділена на дві складові, які називаються E-модами та B-модами, по аналогії з електростатикою, де електричне поле (E) має нульовий ротор, а магнітне поле (B) має нульову дивергенцію. E-моди можуть бути створені багатьма різними процесами, але B-моди можуть бути створені лише за допомогою гравітаційного лінзування, гравітаційних хвиль або розсіювання на космічному пилу.

17 березня 2014 року астрономи з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру оголосили про виявлення відбитків гравітаційних хвиль у реліктовому випромінюванні за допомогою інструменту BICEP2. Це відкриття могло б підтвердити моделі інфляції та Великого вибуху[11][12][13][14]. Однак 19 червня[15][16][17] і 19 вересня 2014 року[18][19] було повідомлено про зниження рівня довіри до отриманих результатів. Нарешті, 30 січня 2015 року Європейське космічне агентство оголосило, що сигнал можна повністю пояснити пилом в Чумацькому Шляху[20].

Нові конструкції детекторів

Детектор з левітуючим сенсором (Levitated Sensor Detector) — запропонований детектор гравітаційних хвиль на частотах 10-300 кГц, які могли б походити від первинних чорних дір[21]. Він має використовувати діелектричні частинки, які левітують в оптичній порожнині під дією світлового тиску[22].

Торсіонна антена (torsion-bar antenna, TOBA) — це запропонована конструкція, що складається з двох довгих тонких брусків, підвішених хрестоподібно у вигляді обертального маятника, в якому диференціальний кут чутливий до приливних сил гравітаційної хвилі.

З початку 2000-х[23] розробляються детектори на основі хвиль матерії (атомні інтерферометри)[24][25]. Атомна інтерферометрія може розширити діапазон детектування гравітаційних хвиль на інфразвукову область (10 мГц – 10 Гц)[26][27], в якій поточні наземні детектори обмежені низькочастотним гравітаційним шумом[28]. У 2018 році в підземній лабараторії LSBB (Рюстрель, Франція) розпочато будівництво демонстраційного проєкту під назвою «Інтерферометрична гравітаційна антена на основі хвильового лазера» (Matter wave laser based Interferometer Gravitation Antenna, MIGA)[29].

Список детекторів гравітаційних хвиль

Криві шуму для кількох детекторів в залежності від частоти. Також показані характерна величина сигналів від потенційних астрофізичних джерел. Для виявлення характерна деформація сигналу повинна бути вищою за криву шуму[30]

Резонансні детектори

Інтерферометри

Примітки

  1. ↑ Conover, Emily (15 вересня 2023). Scientists have two ways to spot gravitational waves. Here are some other ideas. sciencenews.org. Процитовано 17 вересня 2023. Just as light comes in a spectrum, or a variety of wavelengths, so do gravitational waves. Different wavelengths point to different types of cosmic origins and require different flavors of detectors.
  2. ↑ Whitcomb, S.E., Precision Laser Interferometry in the LIGO Project, Proceedings of the International Symposium on Modern Problems in Laser Physics, 27 August – 3 September 1995, Novosibirsk, LIGO Publication P950007-01-R
  3. ↑ Janssen, G. H.; Stappers, B. W.; Kramer, M.; Purver, M.; Jessner, A.; Cognard, I.; Bassa, C.; Wang, Z.; Cumming, A. (2008). European Pulsar Timing Array. AIP Conference Proceedings (Submitted manuscript). 983: 633—635. Bibcode:2008AIPC..983..633J. doi:10.1063/1.2900317.
  4. ↑ North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves. www.nanograv.org. Процитовано 8 травня 2020.
  5. ↑ PPTA Wiki. www.atnf.csiro.au. Процитовано 8 травня 2020.
  6. ↑ Hobbs, G. B.; Bailes, M.; Bhat, N. D. R.; Burke-Spolaor, S.; Champion, D. J.; Coles, W.; Hotan, A.; Jenet, F. та ін. (2008). Gravitational wave detection using pulsars: status of the Parkes Pulsar Timing Array project. Publications of the Astronomical Society of Australia. 26 (2): 103—109. arXiv:0812.2721. Bibcode:2009PASA...26..103H. doi:10.1071/AS08023.
  7. ↑ Reardon, Daniel J.; Zic, Andrew; Shannon, Ryan M.; Hobbs, George B.; Bailes, Matthew; Di Marco, Valentina; Kapur, Agastya; Rogers, Axl F.; Thrane, Eric (29 червня 2023). Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array. The Astrophysical Journal Letters. 951 (1): L6. arXiv:2306.16215. Bibcode:2023ApJ...951L...6R. doi:10.3847/2041-8213/acdd02. ISSN 2041-8205.
  8. ↑ Agazie, Gabriella; Anumarlapudi, Akash; Archibald, Anne M.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Bécsy, Bence; Blecha, Laura; Brazier, Adam; Brook, Paul R. (June 2023). The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background. The Astrophysical Journal Letters (англ.). 951 (1): L8. arXiv:2306.16213. Bibcode:2023ApJ...951L...8A. doi:10.3847/2041-8213/acdac6. ISSN 2041-8205.
  9. ↑ Antoniadis, J. (28 червня 2023). The second data release from the European Pulsar Timing Array. Astronomy & Astrophysics. 678: A50. arXiv:2306.16214. doi:10.1051/0004-6361/202346844.
  10. ↑ Xu, Heng; Chen, Siyuan; Guo, Yanjun; Jiang, Jinchen; Wang, Bojun; Xu, Jiangwei; Xue, Zihan; Nicolas Caballero, R.; Yuan, Jianping (29 червня 2023). Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I. Research in Astronomy and Astrophysics. 23 (7): 075024. arXiv:2306.16216. Bibcode:2023RAA....23g5024X. doi:10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN 1674-4527.
  11. ↑ Staff (17 березня 2014). BICEP2 2014 Results Release. National Science Foundation. Процитовано 18 березня 2014.
  12. ↑ Clavin, Whitney (17 березня 2014). NASA Technology Views Birth of the Universe. NASA. Процитовано 17 березня 2014.
  13. ↑ Overbye, Dennis (17 березня 2014). Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang. The New York Times. Процитовано 17 березня 2014.
  14. ↑ Overbye, Dennis (24 березня 2014). Ripples From the Big Bang. The New York Times. Процитовано 24 березня 2014.
  15. ↑ Overbye, Dennis (19 червня 2014). Astronomers Hedge on Big Bang Detection Claim. The New York Times. Процитовано 20 червня 2014.
  16. ↑ Amos, Jonathan (19 червня 2014). Cosmic inflation: Confidence lowered for Big Bang signal. BBC News. Процитовано 20 червня 2014.
  17. ↑ Ade, P.A.R. та ін. (19 червня 2014). Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2. Physical Review Letters. 112 (24): 241101. arXiv:1403.3985. Bibcode:2014PhRvL.112x1101B. doi:10.1103/PhysRevLett.112.241101. PMID 24996078.
  18. ↑ Planck Collaboration Team (2016). Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes. Astronomy & Astrophysics. 586: A133. arXiv:1409.5738. Bibcode:2016A&A...586A.133P. doi:10.1051/0004-6361/201425034.
  19. ↑ Overbye, Dennis (22 вересня 2014). Study Confirms Criticism of Big Bang Finding. The New York Times. Процитовано 22 вересня 2014.
  20. ↑ Cowen, Ron (30 січня 2015). Gravitational waves discovery now officially dead. Nature. doi:10.1038/nature.2015.16830.
  21. ↑ Northwestern leads effort to detect new types of cosmic events. 16 липня 2019.
  22. ↑ A Novel Tabletop Gravitational-wave Detector for Frequencies > 10 kHz Phase II. Архів оригіналу за 20 липня 2019. Процитовано 19 липня 2019.
  23. ↑ Chiao, R.Y. (2004). Towards MIGO, the matter-wave interferometric gravitational-wave observatory, and the intersection of quantum mechanics with general relativity. J. Mod. Opt. 51 (6–7): 861—99. arXiv:gr-qc/0312096. Bibcode:2004JMOp...51..861C. doi:10.1080/09500340408233603.
  24. ↑ University, Stanford (25 вересня 2019). A different kind of gravitational wave detector. Stanford News (англ.). Процитовано 26 листопада 2020.
  25. ↑ Geiger, Remi (2017). Future Gravitational Wave Detectors Based on Atom Interferometry. An Overview of Gravitational Waves. с. 285—313. arXiv:1611.09911. doi:10.1142/9789813141766_0008. ISBN 978-981-314-175-9.
  26. ↑ Bender, Peter L. (2011). Comment on "Atomic gravitational wave interferometric sensor". Physical Review D. 84 (2): 028101. Bibcode:2011PhRvD..84b8101B. doi:10.1103/PhysRevD.84.028101.
  27. ↑ Johnson, David Marvin Slaughter (2011). AGIS-LEO. Long Baseline Atom Interferometry. Stanford University. с. 41—98.
  28. ↑ Chaibi, W. (2016). Low frequency gravitational wave detection with ground-based atom interferometer arrays. Phys. Rev. D. 93 (2): 021101(R). arXiv:1601.00417. Bibcode:2016PhRvD..93b1101C. doi:10.1103/PhysRevD.93.021101.
  29. ↑ Canuel, B. (2018). Exploring gravity with the MIGA large scale atom interferometer. Scientific Reports. 8 (1): 14064. arXiv:1703.02490. Bibcode:2018NatSR...814064C. doi:10.1038/s41598-018-32165-z. PMC 6138683. PMID 30218107.
  30. ↑ Moore, Christopher; Cole, Robert; Berry, Christopher (19 липня 2013). Gravitational Wave Detectors and Sources. Архів оригіналу за 16 April 2014. Процитовано 17 квітня 2014.
  31. ↑ а б Aguiar, Odylio Denys (22 грудня 2010). Past, present and future of the Resonant-Mass gravitational wave detectors. Research in Astronomy and Astrophysics (англ.). 11 (1): 1—42. arXiv:1009.1138. doi:10.1088/1674-4527/11/1/001. ISSN 1674-4527.
  32. ↑ GEO High Frequency and Squeezing. www.geo600.org. Архів оригіналу за 15 вересня 2019. Процитовано 18 вересня 2019.
  33. ↑ а б в г д Harry, Gregory M. (February 2012). Second generation gravitational wave detectors. The Twelfth Marcel Grossmann Meeting (англ.). UNESCO Headquarters, Paris, France: WORLD SCIENTIFIC. с. 628—644. doi:10.1142/9789814374552_0032. ISBN 978-981-4374-51-4.
  34. ↑ Bhattacharya, Papiya (25 березня 2016). India's LIGO Detector Has the Money it Needs, a Site in Sight, and a Completion Date Too. The Wire (брит.). Процитовано 16 червня 2016.

Література