za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Последние новости гравитационно-волновой астрономии


  Несколько пользователей в комментариях к прошлым обзорам неоднократно спрашивали про последние новости гравитационно-волновой астрономии. Поэтому я решил написать краткий обзор на эту тему.


        Как ранее сообщалось, результатом очень успешной первой кампании двух обновленных наземных установок LIGO стало первое обнаружение двух достоверных событий (и одного дополнительного кандидата) слияния черных дыр звездных масс.

Год назад говорилось, что вторая кампания начнется осенью 2016 года и продлится 6 месяцев. Планировалось, что за счет новой модернизации чувствительность этих наблюдений вырастет на 15-20%, что позволит обнаружить в 1.5-2 раза больше событий, чем во время первой кампании (6-8 событий).

 Вторая кампания длительностью в 6 месяцев началась 30 ноября 2016 года. К этому времени удалось повысить чувствительность только одной из двух установок LIGO. Тесты показали, что лазерный интерферометр в Ливингстоне (штат Луизиана) повысил чувствительность на 15-25%, в то время как чувствительность второй установки в Хэнфорде (штат Вашингтон) осталась на том же уровне. Рост чувствительности установки в Ливингстоне увеличил радиус обнаружения слияния нейтронных звезд с 65-80 до 90 мегапарсек (или 750 мегапарсек для случая слияния черных дыр массой по 30 масс Солнца). Общая чувствительность двух установок выросла с 65-80 до 80-120 мегапарсек для случая слияния нейтронных звезд.

Проблемы с модернизацией установки в Хэнфорде объясняются попытками использовать большую мощность лазерного излучения в интерферометрах. Сначала установка использовала мощность лазерного излучения в 100 кВт, но планируется постепенно увеличить её в 7 раз. Эксперименты с 200 кВт мощностью лазерного излучения в начале 2016 года показали сложности с удержанием чувствительности установки в требуемых пределах. Поэтому, в конце концов, на установке остановились на мощности лазерного излучения в 120 кВт, которая увеличивает чувствительность на частотах выше 100 Гц. В то же время максимум гравитационных волн от слияния нейтронных звезд происходит на более низких частотах.

1 июня этого года было официально объявлено о регистрации третьего достоверного события слияния двух черных дыр звездных масс. Первой гравитационную волну о слияния черных дыр 4 января 2017 года удалось зарегистрировать установке в  Хэнфорде, а спустя 3 миллисекунды такую же гравитационную волну задетектировала установка в Ливингстоне. Обе установки зарегистрировали колебание от источника, удаленного от Земли на 3 миллиарда световых лет с амплитудой около 10-18 метра, что примерно в тысячу раз меньше размера протона. Расчеты показали, что зарегистрированные колебания были вызваны слиянием двух черных дыр массой 19 и 32 масс Солнца. Когда черные дыры слились, образовалась одна черная дыра массой 49 масс Солнца. Недостача (2 массы Солнца) всего за 0.12 секунды преобразовалась в гравитационные волны. В момент слияния черных дыр они обращались вокруг друг друга с орбитальной скоростью равной 6/10 от скорости света.

Большая энергия излучения гравитационных волн во время слияния черных дыр связана с их компактностью. Гравитационные радиусы слившихся 4 января черных дыр составляют 115 и 190 км, а у образовавшейся черной дыры 280 км. Отношение сигнала к шуму (SNR) события, зарегистрированного 4 января, составило 13. Для сравнения у первых двух событий этот параметр равен 24 и 13. SNR=13 означает, что вероятность его космологического происхождения равна 99.997%. Расчеты показывают, что случайные шумы (от земных землетрясений, океанских волн, шума ветра и т.д.) могут генерировать подобные колебания только 1 раз в 70 тысяч лет. Оцениваемое расстояние до источника сигнала GW170104 составило  880+450−390 мегапарсек. Это значительно больше, чем для первых двух событий: 410+160−180 и 440+180−190 мегапарсек, и сравнимо с кандидатом LVT151012: 1000+500-500 мегапарсек.

Координаты последнего события (как и в прошлых случаях по причине регистрации только двумя детекторами) были определены с большой неопределенностью: около 1200 квадратных градусов или 3% от общей площади неба:

Тем не менее, из 77 участников проекта, обладающих поисковым оборудованием для обнаружения электромагнитного излучения от событий гравитационно-волнового излучения,  в подобных поисках приняли участие 34. Естественно, учитывая огромную поисковую площадь, в первую очередь искались крайне необычные переменные источники во всем электромагнитном спектре от гамма-лучей до радиоисточников, а также в данных детекторов космических лучей и нейтрино. Из анализа огромного количества информации следует, что если сливающиеся черные дыры и излучают электромагнитное излучение, то оно обладает небольшой светимостью.

Последний вывод не сильно противоречит теории черных дыр. Этот постулат в будущем можно уточнить за счет уменьшения неопределенности в положении зарегистрированных событий гравитационных волн через увеличение количества детекторов. Ожидается, что этим летом третий детектор VIRGO в Италии достигнет окончательной технической готовности, чтобы в конце 2018 года начать совместные наблюдения с двумя установками LIGO (третья кампания).



         Параллельно совершенствуются и инструменты для поиска источников гравитационных волн в оптическом диапазоне. Недавно появились сообщения, что на Канарских островах 4 июля свою работу первые телескопы проекта GOTO (Gravitational-wave Optical Transient Observer). Англо-австралийский проект предназначен для быстрого поиска источников гравитационных волн в оптическом диапазоне.

Первая фаза проекта включала развертывание 4-х 40-см телескопов на одной монтировке. Каждый из телескопов обладает полем зрения в 5 квадратных градусов с угловым разрешением в 1.2 угловых секунд и 50 мегапиксельной камерой. За 5 минутные экспозиции на снимках телескопов можно обнаружить звезды 20-21 звездной величины (в зависимости от фазы Луны).

Во время второй фазы, к той же монтировке добавят ещё 4 телескопа. В результате общее поле зрения установки достигнет 40 квадратных градусов.

Во время третьей фазы, будет добавлен ещё один купол с 8 телескопами:

Четвертая фаза включает размещение второй подобной обсерватории в Австралии для наблюдения источников гравитационных волн на южном небе.

Существует похожий проект DDOTI (Deca-Degree Optical Transient Imager), в котором на одной монтировке размещены 6 28-см телескопов с общим полем зрения в 72 квадратных градусов. Первая подобная обсерватория размещена в мексиканской обсерватории OAN в начале 2017 года.

Есть предложения по замене оптических детекторов этого проекта на инфракрасные (проект DIRTI (Degree InfraRed Transient Imager)).

Одновременно осуществляются попытки обнаружения гравитационных волн на других частотах с помощью других методов. На конференции AAS-229 в январе 2009 года прозвучало несколько докладов по теме гравитационно-волновой астрономии. Можно привести слайды этих докладов (взяты из твиттера с низким разрешением).

Наземные детекторы (километровые двухплечевые лазерные интерферометры) могут обнаружить лишь самые коротковолновые гравитационные волны. Обнаружение более длинноволнового гравитационного излучения возлагается на космические обсерватории, наземные радиотелескопы (тайминг пульсаров) и субмиллиметровые телескопы (поиск поляризации в реликтовом излучении – CMB).



        Проект PTA (Pulsar timing array) по поиску гравитационных волн в данных радиотелескопов, отслеживающих периодичность радиопульсаров, был начат в 2005 году. Он состоит из трех систем:

1)      PPTA (Parkes Pulsar Timing Array) (использование данных 64-метровой антенны в австралийском Парксе).

2)     EPTA (European Pulsar Timing Array) (использование данных 4-ых европейских радиотелескопов: Lovell Telescope, Westerbork Synthesis Radio Telescope, Effelsberg Telescope и Nancay Radio Telescope). В ближайшее время к проекту присоединится пятый радиотелескоп: достраивающийся Sardinia Radio Telescope.

3)     NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) (использование данных двух североамериканских радиотелескопов: в Аресибо и Грин Бэнк).

Основной задачей проекта PTA (Pulsar timing array) является обнаружение гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр. Как известно, в центре большинства крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры (в том числе и в нашей – радиоисточник Стрелец А, его масса оценивается в несколько миллионов масс нашего Солнца). У галактик с активными ядрами (AGN, а также квазары) масса центральных черных дыр может достигать нескольких миллиардов масс Солнца. Последние открытия говорят, что в центрах активных галактик обнаружено множество случаев двойных и тройных сверхмассивных черных дыр.

 Слияния сверхмассивных черных дыр происходит гораздо реже, чем черных дыр звездных масс. Но с другой стороны тесные системы сверхмассивных черных дыр должны являться мощными источниками гравитационных волн. В первую очередь ожидается найти подобные источники у массивных эллиптических галактик, которые образуются после слияния нескольких спиральных галактик.

Проект PTA (Pulsar timing array) постепенно увеличивает длительность наблюдений  и количество наблюдаемых пульсаров. Последнее важно улучшением точности определения координат обнаруженных источников гравитационных волн (наблюдение 20 пульсаров позволяет определить положение источника с точностью в 100 квадратных градусов). С 2005 по 2016 год подпроект NANOGrav увеличил количество наблюдаемых пульсаров с 17 до 45:



          Предварительные результаты анализа данных по 2016 год показывают возможные источники гравитационных волн на статистическом уровне доверия в 2 сигма. Участники проекта полагают, что новые наблюдения в следующие 1-2 года позволят проверить статистическую достоверность этих кандидатов.

  Значительно большие возможности обнаружения гравитационных волн от двойных сверхмассивных черных дыр ожидаются от космического лазерного интерферометра LISA. Будущий космический телескоп сможет обнаружить подобные источники на статистическом уровне доверия SNR=1000 вплоть до z=3:

Эту схему в лучшем качестве можно найти в описании миссии:

Кроме того LISA сможет обнаружить двойные черные дыры звездных масс до слияния, EMRI (Extreme mass ratio inspiral) – случаи поглощения сверхмассивными черными дырами нейтронных звезд и черных дыр звездных масс, а также тесные звездные двойные с активным перетеканием вещества друг от друга.



 После недавнего успеха прототипа космической обсерватории (LISA Pathfinder) и исторической регистрации первых гравитационных волн наземными установками LIGO проекту космической гравитационно-волновой обсерватории удалось стать третьей большой миссией европейской программы ESA's Cosmic Vision 2015-2025. Об этом официально было объявлено 20 июня. В связи с этим проекту удалось вернуться от двухдетекторной схемы (урезанная версия eLISA) к первоначальной трехдетекторной схеме. Запуск обсерватории ожидается к 2034 году. Кроме того NASA объявило об интересе к возвращению в проект в качестве партнера.

Из текущего описания миссии следует, что детекторы космической обсерватории будут располагать лазерами мощностью по 2 Вт и 30-см телескопами для регистрации лазерного излучения с расстояния в 2.5 миллиона км. Рассматривается вариант ускоренного запуска обсерватории к 2030 году. Длительность работы обсерватории запланирована на 4 года,  с возможностью расширения до 10 лет.

Ожидается, что обсерватория сможет обнаружить около 25 тысяч тесных звездных двойных в нашей галактике, а также самые первые массивные двойные черных дыр (с массами от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч масс Солнца с z=10-15).

Аппараты обсерватории будут запущены на гелиоцентрическую орбиту с удалением в 50-65 миллионов км от Земли.

Запуск планируется с помощью разрабатываемой РН Ариан-6.4 (забрасываемая масса на межпланетную траекторию около 7 тонн), время от запуска до достижения области для работы обсерватории составляет около 400 суток. Коммуникационная система аппаратов обсерватории рассчитана на передачу очень небольшого количества информации (около 334 МВ в сутки) со скоростью в 35 кбит в секунду. Для приема информации на каждом аппарате будут размещены 0.5-метровые параболические антенны.

Кроме лазеров и телескопов, в состав научной нагрузки каждого аппарата обсерватории войдут те же детекторы гравитационных волн, что и у прототипа. Только в отличие от прототипа по борту каждого аппарата будет по одному детектору. Детекторы представляют собой вакуумные камеры с 46-мм кубами весом по 2 кг, сделанных из золота и платины. На борту прототипа детекторы были разделены 38 см, у LISA 1.5 миллионами км.




 Кубы должны свободно плавать в вакуумных камерах в условиях невесомости. Лазеры, размещенные на стенках камер будут отслеживать положение кубов с точностью до нескольких фемтометров (1 фемтометр равен 10 в минус 15 метра). Зазор между кубами и стенками камер составляет 3-4 мм. Этот компонент научной нагрузки отработан лучше всего, так как он уже прошел испытания в космосе. Эти испытания на прототипе (12 прогонов по 200 тысяч секунд между ноябрем 2016 года и январем 2017 года) показали, что точность отслеживания положения кубов примерно в 5 раз лучше технических требований для LISA:



            Каждый аппарат будет потреблять около 760 Ватт и обладать массой примерно в 2 тонны (масса прототипа составила 1910 кг). Тем самым одной РН Ариан-6 можно запустить все три аппарата. На топливо будет приходиться от 555 до 720 кг (в зависимости от положения каждого аппарат в созвездии обсерватории).

Tags: астрономия, обзор, черные дыры
Subscribe
promo za_neptunie июль 10, 2014 20:36 8
Buy for 30 tokens
Число постов в блоге перевалило за сотню, поэтому я решил систематизировать их по различным тематиками. Это поможет мне и моим читателям быстрее находить в блоге интересную информацию. Последнее обновление от 4 августа 2014 года Венера Новая книга о Венере Венера-Экспресс готовится к…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 19 comments