Новости, гравитационно-волновая астрономия

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Leon
Сообщения: 439
Зарегистрирован: Сб ноя 07, 2009 8:12

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#31   Leon »

morozov писал(а): Физики на обсерватории LIGO 14 сентября 2015 года впервые зарегистрировали гравитационные волны. Об открытии сообщили 11 февраля 2016 года. Волны порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). Событие произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).
Как часто во Вселенной происходит такое событие - слияние черных дыр, генерирующее гравитационные волны ?
Насколько я знаю, другие лаборатории должны подтвердить полученный результат для закрепления объективности и уверенности в чистоте проведенного эксперимента.
Когда можно ожидать повторения такого эксперимента другими лабораториями ?

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#32   morozov »

Leon писал(а):Насколько я знаю, другие лаборатории должны подтвердить полученный результат для закрепления объективности и уверенности в чистоте проведенного эксперимента.
Эксперимент достаточно серьезный. практически это два эксперимента, не только зафиксировавшие, но и определившие направление и скорость волн. Как я понял другие коллаборации еще не имеют подобной чувствительности.
Конечно по одному событию невозможно судить о частоте событий.
Конечно это вряд ли от черных дыр, это плод воображения энтузиастов, не более.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Leon
Сообщения: 439
Зарегистрирован: Сб ноя 07, 2009 8:12

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#33   Leon »

morozov писал(а): Конечно по одному событию невозможно судить о частоте событий.
Конечно это вряд ли от черных дыр, это плод воображения энтузиастов, не более.
А чем вам не нравится версия про черные дыры ?
Но елси не черные дыры, то, в таком случае, от чего могут возникнуть такие гравволны и как часто такие события происходят ? Что говорит теория о частоте таких событий ? Или следующего ждать лет тысячу-две ?

sherst
Сообщения: 650
Зарегистрирован: Пн апр 11, 2011 12:51

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#34   sherst »

Leon писал(а):
morozov писал(а): Конечно по одному событию невозможно судить о частоте событий.
Конечно это вряд ли от черных дыр, это плод воображения энтузиастов, не более.
А чем вам не нравится версия про черные дыры ?
Но елси не черные дыры, то, в таком случае, от чего могут возникнуть такие гравволны и как часто такие события происходят ? Что говорит теория о частоте таких событий ? Или следующего ждать лет тысячу-две ?
Где-то видел статью, что происходят довольно часто, чуть ли не каждый месяц. Но это необязательно слияние именно Черных дыр.
Само моделирование очень сложное и неясно, а правильно ли они смоделировали процесс.
Самое главное - они не фиксировали "живьем" сам процесс слияния.
http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya ... ktory_LIGO
Последний раз редактировалось sherst Сб мар 05, 2016 23:43, всего редактировалось 1 раз.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#35   morozov »

Ясно, что это компактные объекты большой массы с периодом в миллисекунды, причем период явно 'схлопывается' масса оценивается легко, но только если мы знаем расстояние ...
Гравитационным волнам по фигу, что это за объект, был бы только квадрупольный момент.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Коллаборация LIGO, в которую входят российские учёные, объявила о регистрации гравитационных волн

Номер сообщения:#36   morozov »

Leon писал(а):А чем вам не нравитсйя версия про черные дыры ?
Дело не в пристрастиях. Особенность в решении уравнения Эйнштейна неприемлема, ни с математической точки зрения, ни, тем более, с физической точки зрения, т.е. это могут поддержать только физики не знающие математику или или математики не знающие физику.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

подробности

Номер сообщения:#37   morozov »

Big data analysis of Livingston and Hanford logfiles for LIGO project 2010-2016
Dataset · April 2016
DOI: 10.13140/RG.2.1.5124.1365

1st Demetris Christopoulos
37.61 · National and Kapodistrian University of Athens

Abstract
We use more than 50K log files from Livingston (L1) and Hanford (H1) laboratories. The injections have a maximum density close to 2015-09-14 ('time zero') when it was announced by LIGO that a gravitational wave was detected. Lost lock of interferometer (IFO) is also distributed in time by a similar way. Several unknown reasons for lockloss have been reported while IFO is found to present extreme instability at time zero. Commissioners had the privilege to perform injections without any prior notification to the 'scientists on board'. Earthquakes seem to be active the date of alleged detection and one of them managed to bypass the lockloss system. Harvesting trucks had been working for weeks close to (L1) at time zero. Noise from weather also had a maximum same days. We use Extremum Surface and Distance Estimator (ESE and EDE) methods in order to perform Inflection Point Analysis of times. It seems that close to Sep 14, 2015 almost all possible causes of external and internal noise are present and serious malfunctions appear. Credibility of L1 and H1 laboratories continues to be highly questionable and they cannot be treated as observatories by no means, unless if they stop performing hardware injections

https://www.researchgate.net/publicatio ... ack/318088
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

LIGO поймала новые всплески гравитационных волн 20.06.16

Номер сообщения:#38   morozov »

LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
20.06.16
И.Иванов (Элементы)
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
20.06.16 | Астрофизика, Физика, Черные дыры, Игорь Иванов | Комментарии (156)

Художественное изображение того, как могли бы выглядеть события слияния черных дыр GW150914 и GW151226

Рис. 1. Художественное изображение того, как могли бы выглядеть события слияния черных дыр GW150914 (нижний левый угол) и GW151226 (верхний правый угол) в момент максимального гравитационно-волнового излучения. Рисунок с сайта ligo.caltech.edu

На наших глазах рождается новая область науки — гравитационно-волновая астрономия. Обновленная обсерватория LIGO в ходе первого сеанса наблюдений зарегистрировала уже три всплеска гравитационных волн — два достоверных и один возможный. Все они пришли от слияний черных дыр звездных масс. В каждом случае удалось, в пределах погрешностей, восстановить параметры черных дыр и положение источников излучения, а также провести первый совокупный анализ популяции таких черных дыр. Ожидается, что в ближайшие пару лет статистика возрастет на порядок, и ученые приступят к экспериментальному изучению раздела астрофизики, который в течение десятилетий оставался уделом одних лишь теоретиков.
Рождественский подарок

Новогодние праздники — время приятной суеты для всех нас, в том числе и для ученых. Однако в ночь на 26 декабря 2015 года на фоне обычной праздничной переписки члены коллабораций LIGO и Virgo зарегистрировали в своих почтовых ящиках аномальный всплеск email-активности. Это означало только одно: гравитационно-волновая обсерватория LIGO зафиксировала еще один сигнал!

И действительно, в 03:38:53 UTC (полседьмого утра по московскому времени) два детектора LIGO почти одновременно, с разницей всего в одну миллисекунду, зарегистрировали достаточно мощный гравитационно-волновой всплеск, получивший предварительное обозначение G211117. Всплеск длился почти секунду и был опознан автоматической системой слежения в течение минуты. В тот же день всем телескопам-партнерам по наблюдательной сети GCN был выслан сигнал об этом событии (циркуляр 18728), и в ходе последующих дней несколько гамма- и оптических телескопов отчитались о наблюдениях (см. архив циркуляров GCN). По горячим следам был проведен офлайн-анализ события, и примерно через пару дней участники коллаборации уже знали, что они действительно поймали второй гравитационно-волновой всплеск от слияния черных дыр. За ним было закреплено постоянное обозначение GW151226.

Полгода спустя, 15 июня, во время ежегодной встречи Американского астрономического общества, состоялся специальный пресс-брифинг, на котором, по сложившейся уже традиции, без предисловий, с места в карьер, представители коллабораций объявили об открытии. Кроме того, оказалось, что в данных LIGO за октябрь было и третье интересное событие, но оно, к сожалению, не дотянуло до порога достоверности, поэтому коллаборации называют его кандидатом, но не полноценным гравитационно-волновым всплеском. В Москве, в МГУ, в то же самое время прошло аналогичное мероприятие, на котором после трансляции американского пресс-брифинга выступили и российские участники коллаборации.

Одновременно с этими выступлениями появились две научные статьи с результатами. Первая целиком посвящена гравитационно-волновому событию GW151226, и она уже опубликована в журнале Physical Review Letters (GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence). Вторая рассказывает о поиске таких сигналов от слияния черных дыр во всем первом сеансе работы aLIGO и описывает совокупный анализ трех зарегистрированных событий. Эта статья пока только выложена в архив е-принтов (Binary Black Hole Mergers in the first Advanced LIGO Observing Run). Обе статьи вышли за авторством сразу двух коллабораций: LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration. Хотя инструменты у них разные, а итальянский детектор Virgo еще даже не вступил в строй после модернизации — все они направлены на единую цель, и потому анализ их данных ведется совместно. Кроме того, на сайте LIGO доступна подробная техническая информация по каждому зарегистрированному событию.

Самая краткая выжимка результатов первого сеанса работы aLIGO показана на рис. 2. Эта скромная картинка отображает, по сути, текущее состояние гравитационно-волновой астрономии — науки, которая рождается на наших глазах. Гравитационно-волновая обсерватория LIGO, безуспешно искавшая гравитационные волны в первых сеансах работы, была кардинально модернизирована в 2008–2014 годах и в сентябре прошлого года заработала вновь, теперь уже под названием aLIGO (Advanced LIGO). Первый наблюдательный сеанс продлился четыре месяца: с 12 сентября 2015 года по 19 января 2016 года. Чистого наблюдательного времени при этом набежало примерно на полтора месяца; остальное время — это технические работы, калибровка или сеансы наблюдений, подпорченные слишком большими шумами.
Изображение

Рис. 2. Три гравитационно-волновых события, обнаруженные во время первого наблюдательного сеанса обновленной гравитационно-волновой обсерватории aLIGO. Рисунок с сайта ligo.caltech.edu
За полтора месяца чистых данных LIGO зарегистрировала три события. Два из них — это гарантированные гравитационно-волновые всплески, порожденные слиянием черных дыр; они получили обозначения GW150914 (событие 14 сентября 2015 года, про которое и шла речь в феврале, см. новость Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016) и GW151226 («рождественский подарок», событие в ночь на 26 декабря). Третье событие, LVT151012, показало достаточно скромное превышение над фоном и вместо GW (Gravitational Wave event) получило пометку LVT (LIGO-Virgo Trigger event). И хотя полной уверенности в этом нет, физики всё же склоняются к тому, что это тоже был гравитационно-волновой всплеск и поэтому его тоже следует учитывать в той или иной степени при совокупном анализе событий.

На рис. 2 показано также, какие черные дыры породили эти всплески. Событие-открытие GW150914 было самым сильным во всей статистике первого сеанса наблюдений; оно отвечало суммарной массе черных дыр примерно 60 масс Солнца (M☉). Два других события были послабее, там оценка суммарной массы была вдвое-втрое меньше. Эта разница по массе очень существенная; из-за нее два новых всплеска проступали в данных иначе, чем событие GW150914.

Надо отметить, что сейчас коллаборации отчитались еще не обо всех результатах, а только о поиске слияний черных дыр звездных масс, то есть с массами от 3M☉ до 99M☉. Нижний предел нужен для того, чтобы отсечь нейтронные звезды: по современным представлениям, компактный объект тяжелее трех масс Солнца может быть только черной дырой. Коллаборации также сообщают, что никаких других событий такого типа в данных первого сеанса aLIGO нет. Но они собираются вскоре рассказать еще про два поиска: слияния более тяжелых черных дыр и слияния нейтронных звезд (либо друг с другом, либо с черной дырой). Обнаружилось ли там что-то интересное, авторы пока умалчивают.
Как ищут всплески

Рассказ о том, что такое гравитационные волны и как устроены детекторы, способные их обнаружить, можно найти и в нашей новости Гравитационные волны — открыты!, и в других материалах (см., например, популярную статью С. Попова Эйнштейн был прав: гравитационно-волновая астрономия). Здесь мы расскажем о другом техническом аспекте эксперимента — о том, как всплески гравитационных волн извлекаются из сырых данных, тем более что само событие GW151226 дает для этого отличный повод.

Первый, самый громкий гравитационно-волновой всплеск GW150914 был коротким и довольно сильным. Взгляните рис. 7 из нашей прошлой новости: он легко заметен глазом прямо в данных в виде характерного усиливающегося и убыстряющегося колебания на фоне остаточных шумов. Те несколько периодов колебаний, которые детектор надежно отловил, умещались тогда в 0,2 секунды. В противоположность ему, декабрьский всплеск GW151226 был куда слабее, и невооруженным глазом его не заметишь (рис. 3, вверху). Однако он наблюдался намного дольше, целую секунду, на протяжении 55 периодов колебания, и именно это позволило его выделить из шумов.
Изображение

Рис. 3. Гравитационно-волновой всплеск GW151226 в данных двух детекторов обсерватории LIGO: Hanford и Livingston. Вверху: данные за вычетом известных инструментальных шумов с наложенным поверх них волновым профилем от гравитационной волны. Волнообразная форма черного колебания — это артефакт фильтрации данных; реальный гравитационно-волновой профиль, а точнее, наиболее подходящая маска, показана на рис. 4. Внизу: отношение сигнала, выделяемого маской, к шуму в зависимости от того, где на временной шкале эта маска прикладывается. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Методику выделения легко понять по такой аналогии. Представьте, что вы находитесь на большой и шумной вечеринке, и разговоры участников в толпе сливаются для вас в общий шум, которые вы не можете разбить на слова. Но вдруг из всего шума ваш слух выхватывает ваше собственное имя. Оно было произнесено кем-то на такой же громкости, что весь разговор. Но оно вам очень хорошо знакомо, ваш мозг настроен на его распознание даже среди шумов — и поэтому вы на него среагировали.

Нечто подобное происходит и при поиске гравитационных волн. Физики ищут в данных не «хоть что-то», а колебательные сигналы очень специфического профиля, как на рис. 4, характерные для гравитационно-волнового всплеска от слияния двух компактных объектов. Методика анализа данных заточена на распознавание именно таких сигналов, причем практически в реальном времени. (Справедливости ради надо сказать, что поиск сильных всплесков произвольной формы, «транзиентов» неизвестного происхождения, тоже ведется, но это уже второстепенная задача.)

Изображение

Рис. 4. Маска, давшая наилучшее совпадение с данными при анализе события GW151226. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Работает это так. Детектор снимает показания с датчика тысячи раз в секунду, выделяет из них известные инструментальные шумы и выдает график остаточного колебания (он и показан на рис. 3, вверху). Практически всё время эти колебания — это всё те же остаточные шумы. Но физики надеются, что поверх них может попасться и гравитационно-волновой сигнал, то есть колебание известного профиля. Поэтому они берут ожидаемый сигнал (рис. 4) и, словно маску, «прикладывают» его к данным, сопоставив самый сильный пик маски с каким-то конкретным моментом времени. Вычисляют величину перекрытия, то есть насколько хорошо эта конкретная маска с этой привязкой по времени совпадает с реальными данными. Затем сдвигают ту же маску по времени совсем на чуть-чуть, намного меньше периода колебания и снова пересчитывают величину перекрытия. Затем снова сдвигают, и так далее.

Каждый раз получаются разные числа, но в среднем они колеблются около некоторого типичного для чистых шумов значения. Эти числа, поделенные на среднее по шумам значение, называются «отношение сигнала к шуму» (SNR, signal-to-noise ratio). Именно они показаны на рис. 3, внизу. Видно, что SNR обычно прыгает в районе 1–2, иногда достигает даже 3–4, но выше обычно не поднимается. И самое главное, эти шумы ведут себя в двух детекторах совершенно независимым, никак не скоррелированным образом.

Такой процесс сравнения идет непрерывно, в реальном времени, причем используется для сравнения не одна, а тысячи готовых, слегка различающихся масок. Эти маски вычисляются заранее на основе громоздких численных расчетов того, как сливаются друг с другом черные дыры разных масс и с разным вращением.
Борьба сигнала с фоном

И теперь — момент истины. Когда при очередном сравнении одна из масок дает удивительно хорошее совпадение, отношение сигнала к шуму SNR оказывается необычно большим. На графике SNR от времени появляется резкий пик, как на рис. 3, внизу. Если такая удача выпадает в обоих детекторах LIGO, причем с одной и той же маской и с разницей по времени не более 15 миллисекунд, это вызывает автоматическое срабатывание программы поиска: обсерватория фиксирует событие-кандидат.

Здесь, кстати, наиболее четко проступает роль длительности сигнала. Пусть сигнал слабенький, по амплитуде слабее шума, но если он повторяется на протяжении десятков циклов, без сбоев, то за это время набежит достаточно большое перекрытие с подходящей маской. Сигнал такой величины, как на рис. 3, остался бы незамеченным, если бы он длился всего несколько периодов. Но он проступал в данных в течение целой секунды, и благодаря своей длительности сумел вылезти из шума и привести к срабатыванию триггера.

Конечно, это срабатывание само по себе еще не означает регистрацию гравитационных волн. Ведь изредка шумы всё же могут сложиться так, чтобы SNR в обоих детекторах случайно оказался большим. Вопрос лишь в том, насколько часты или редки такие ложно-положительные срабатывания, то есть ситуации, когда инструментальные и прочие шумы случайно складываются так, что напоминают гравитационно-волновой всплеск.

Чтобы их оценить, требуется, во-первых, тщательный анализ, который сложно сделать на лету, а во-вторых, информация о том, как ведут себя шумы в показаниях детекторов. Для этого программа берет статистику событий-кандидатов и по определенным критериям присваивает им «индикаторную характеристику»: чем выше индикатор, тем более непохожим на шум будет это событие. Затем строится распределение событий по этой индикаторной величине (оранжевые квадратики на рис. 5). И, наконец, зная характеристики шума, программа может построить такое же распределение для чистых шумов (гистограмма на рис. 5). Для пущей надежности, коллаборации LIGO и Virgo решили провести этот анализ двумя разными методами; на рис. 5 показан только один из них.
Изображение

Рис. 5. Распределение событий по индикаторной величине ρc. Гистограмма показывает распределение шума, отдельные точки — статистика событий-кандидатов. Две точки, отклоняющиеся от шума, это LVT151012 и GW151226. Самое сильное событие GW150914 здесь не показано, оно выходит далеко за границу шкалы. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
На рис. 5 видно, что два события выбиваются из «шумовой» гистограммы. Декабрьское событие GW151226 лежит настолько далеко, что вероятность случайного сочетания факторов оценить по этому методу не получается. Исходя из данных по шуму можно лишь сказать, что ложно-положительные события такой силы происходят реже, чем раз в 160 тысяч лет, поэтому вероятность встретить его в 45-дневной серии данных — меньше одной десятимиллионной. Таким образом, статистическая достоверность того, что это событие — реальный всплеск, а не шумы, превышает 5σ. Второй метод анализа показал сравнимую статистическую значимость — 4,5σ.

Списать это событие на какой-то неопознанный внешний источник вибрационного или электромагнитного происхождения тоже нереально. Внешняя обстановка постоянно отслеживается множеством датчиков, и в момент этого события они не показали никакого превышения нормы. Единственный вывод: перед нами второй достоверный гравитационно-волновой всплеск.

А вот с октябрьским событием LVT151012 не всё так ясно. Оценка ложно-положительного срабатывания для сигнала такой интенсивности намного скромнее — один раз в несколько лет. Это дает статистическую значимость на уровне 2σ или даже чуть ниже. Скорее всего, это был реальный гравитационно-волновой всплеск, но полной гарантии тут дать нельзя. Однако в совокупном статистическом анализе гравитационно-волновых событий такие события-кандидаты использовать, при аккуратном подходе, не возбраняется.
Снимаем мерки с черных дыр

Если в февральском сообщении упор был сделан на открытие гравитационных волн, то сейчас коллаборации LIGO и Virgo подчеркивают другую ключевую мысль. То первое событие не осталось единственным; мы увидели второй и, скорее всего, третий всплеск гравитационных волн. А значит, перед нами распахнулось гравитационно-волновое окно во Вселенную! Мы не только слышим гравитационно-волновой «грохот» космоса, но и можем узнать параметры источников и, при случае, сопоставить их с другими методами наблюдения. И когда таких событий наберется достаточно, мы сможем делать выводы относительно эволюции звезд, скоплений, прочих объектов. В общем, мы начнем изучать Вселенную так, как до этого не умели!

И вся эта обширная программа исследований опирается на простой по сути, но совершенно поразительный факт. Достаточно аккуратно измерить профиль пришедшего всплеска гравитационных волн — и мы узнаем про породившее их слияние черных дыр всё. Абсолютно всё, без преувеличений. Поясним, как это получается и какие выходят результаты.
Массы

Вы будете смеяться, но черные дыры — это самая простая форма существования материи во Вселенной. У кирпича, к примеру, есть форма, пористость со сложной геометрией, химический состав и т. п. У газового облака формы нет, но тоже есть химический состав. Даже у нейтронных звезд есть много разных интересных свойств. И только у черных дыр ничего этого нет — вообще. Черная дыра характеризуется только массой и вращением. Поэтому если две черные дыры объединяются в пару, падают по спирали друг на друга и сливаются, то мы, в принципе, можем точно сосчитать этот процесс с помощью общей теории относительности. Поэтому достаточно задать массы черных дыр, а также величины и направления их вращения вокруг своей оси — и вуаля, мы можем точно предсказать профиль гравитационно-волнового всплеска, который придет от такого слияния.

Эту зависимость можно обратить. Мы можем сосчитать множество разных профилей для разных масс и вращений (это те самые маски, про которые шла речь выше), а затем сравнить их с пойманным сигналом. Выяснив, какая из них лучше всего его описывает, мы таким образом восстановим параметры сливающихся черных дыр. В реальности, конечно, существуют как погрешности самих данных, так и сложности с численным решением сложных конфигураций. Но это не мешает измерять основные параметры с некоторой погрешностью уже сейчас.
Изображение

Рис. 6. Массы известных черных дыр. Фиолетовым показана популяция черных дыр, обнаруженных и измеренных в рентгеновских двойных системах; голубым — черные дыры от трех событий LIGO. Рисунок с сайта ligo.caltech.edu
Подробные сводки параметров черных дыр всех трех событий приведены во второй, более детальной статье коллабораций. Суммарная масса пары составляла примерно 65M☉, 22M☉ и 37M☉ для GW150914, GW151226 и LVT151012 соответственно. В самом громком событии GW150914 две черные дыры были примерно одинаковой массы; в двух других — массы различались примерно вдвое. Энергия, унесенная гравитационными волнами, составила примерно 3M☉, 1M☉ и 1,5M☉ соответственно. Эта энергия превратилась из энергии покоя (то есть из массы) в гравитационно-волновое излучение за доли секунды; человеческое воображение перед такими масштабами мощности просто пасует.
Вращение

Процесс слияния черных дыр усложняется за счет собственного вращения каждой из них, и это тоже накладывает свой отпечаток на форму гравитационно-волнового всплеска. Если, скажем, обе черные дыры быстро вращаются вокруг своей оси в том же направлении, что и общее орбитальное движение друг вокруг друга, то они проделают больше оборотов до слияния, чем невращающиеся черные дыры. Если собственное вращение, наоборот, направлено против общего орбитального движения, то слияние займет меньше циклов. Если вращение вообще направлено как-то произвольно, то динамика слияния дополнительно усложняется.

Поскольку влияние вращения на форму всплеска слабое, то нынешние измерения не позволяют однозначно измерить вращение исходных черных дыр. Тем не менее, в случае GW151226 удалось достоверно определить, что по крайней мере одна черная дыра до слияния вращалась достаточно быстро: ее момент импульса составлял как минимум 20% от максимально возможного значения. До сих пор никаких наблюдательных данных по вращению черных дыр не было вообще. В будущем, более аккуратные измерения профиля всплеска, и в особенности, наблюдение эффектов прецессии позволят получать более четкие значения (см. видеоролики, поясняющие влияние прецессии на гравитационно-волновой всплеск).

Что касается конечных черных дыр, то во всех трех случаях они, разумеется, сильно вращались — просто потому, что они возникли от слияния обращающихся друг вокруг друга объектов. Их вращение оценивается в 60–70% от максимально возможного.
Расстояния

Расстояние до источника гравитационно-волнового излучения тоже вычисляется по пойманному всплеску. Если мы измерили волновой профиль, мы знаем массы, а значит, можем совершенно однозначно вычислить излученную мощность. Одно жестко связано с другим, никакой свободы интерпретации тут нет. А значит, измерив амплитуду пришедшей волны, мы сможем сосчитать, с какого расстояния прилетел всплеск — ведь его амплитуда ослабляется пропорционально расстоянию (см. простые расчеты в прошлой новости). Поэтому астрофизики называют слияния черных дыр стандартными сиренами — по аналогии со «стандартными свечами», которые используются для определения расстояний до галактик.

Тут, правда, есть тонкость: амплитуда дошедшего до нас сигнала зависит не только от расстояния до источника, но и от ориентации плоскости орбиты относительно направления за Землю. Эти две зависимости можно разделить, если измерить поляризацию волны, либо если слияние будет сопровождаться сильной орбитальной прецессией и ее удастся увидеть в профиле сигнала. С нынешней парой детекторов это пока сделать не удается, поэтому и дистанция измеряется не очень точно. Расстояние до всплесков GW150914 и GW151226 было оценено в 420 и 440 мегапарсек с погрешностью почти 50%, что отвечает красному смещению z ≈ 0,1. Событие-кандидат LVT151012 пришло с расстояния примерно 1000 Мпк, с красного смещения z ≈ 0,2; неудивительно, что оно оказалось таким слабым.

Тут полезно, кстати, добавить, что, раз источники расположены на таком значительном удалении, то пришедшие от них гравитационные волны испытывают красное смещение. Поэтому видимый нами период осцилляций в (1 + z) раз больше исходного, и на это надо делать поправку при вычислении масс черных дыр.
Направление

Астрофизикам, безусловно, хочется знать не только сам факт, что во вселенной что-то «бабахнуло», но и где именно это произошло. Тогда они направят туда телескопы и постараются отследить то же событие в оптическом, гамма и других диапазонах электромагнитного излучения, а может быть даже и поймают прилетевшие оттуда нейтрино. Такая всесигнальная диагностика космических событий — заветная мечта современной астрофизики.

Направление на источник гравитационных волн можно определить, во-первых, по разнице времени прихода сигнала на несколько детекторов, а во-вторых, по их относительному отклику. Сейчас, когда работают только два детектора, удается эффективно использовать только первый метод. В результате направление на источник восстанавливается пока очень плохо; вместо четкого направления получаются длинные дуги, охватывающие чуть ли не полнеба (рис. 7). В будущем году, когда заработает третий детектор гравитационно-волновой сети Virgo, локализация источников на небе будет намного конкретнее.
Изображение

Рис. 7. Области южного неба, в которых, по измерениям LIGO, находились источники событий GW150914 и GW151226. Изображение с сайта ligo.caltech.edu
О чем говорят результаты

Два подтвержденных слияния и одно вероятное — статистика, мягко говоря, скромная. Но даже сейчас она позволяет делать выводы о физических законах и свойствах Вселенной, которые до этого были недоступны непосредственному измерению.
Проверка ОТО

Во-первых, профиль гравитационно-волнового всплеска очень хорошо согласуется с ожиданиями общей теории относительности. ОТО была протестирована в пределах солнечной системы, но только в приближении гравитационного слабого поля и при невысоких скоростях. Сейчас мы получили первые данные о том, как ведет себя гравитация в сильных полях и при релятивистском движении объектов (скорости черных дыр в момент слияния достигали половины скорости света), — а значит, можем проверить ОТО в недоступной ранее области.

Во второй, подробной статье, посвященной совокупному анализу трех событий, приводятся полученные из данных ограничения на коэффициенты в рамках так называемого постньютоновского формализма. Ни в одном из них не было обнаружено существенного отклонения от ожиданий ОТО. Любопытно, что некоторые величины лучше всего ограничиваются самым сильным всплеском GW150914, а другие — самым долгим всплеском GW151226.
Механизм образования

Во-вторых, три слияния — это шесть исходных черных дыр. При такой пусть небольшой, но статистике можно попытаться построить распределение по массам черных дыр и сравнить с теоретическими предсказаниями относительно того, как вообще могут образоваться пары черных дыр звездных масс. Здесь есть два основных сценария: изолированная эволюция (две тяжелые звезды с самого начала были вместе, а потом одна за другой превратились в черные дыры) и динамическое образование (черные дыры образовались независимо, а потом, за счет динамики в тесном скоплении, образовали связанное состояние).

Казалось бы, откуда вообще мы можем узнать, как образовалась пара черных дыр, если мы видим только последнюю секунду их совместной жизни? Оказывается, по расчетам, изолированная эволюция обычно дает пары черных дыр близкой массы, а различие масс вдвое и больше в таком сценарии очень маловероятно. Динамический сценарий тоже отдает предпочтение близким массам, но и сильно различающиеся пары тут тоже возможны. Кроме того, эти два механизма дают разные предсказания насчет ориентаций вращения двух черных дыр.

Пока что полученные данные не позволяют отдать четкое предпочтение конкретному механизму. Но в будущем, когда статистика станет больше, а измерения — точнее, результаты станут более конкретными. Кто знает, может быть, через десяток лет мы уже будем говорить про две разных популяции «чернодырных пар», разделенных по механизму их рождения, и будем считать всплески GW150914 и GW151226 первыми ласточками обеих популяций. Так или иначе, но то, что десятилетиями оставалось лишь уделом теоретической астрофизики, становится на наших глазах доступно экспериментальной проверке. Подробнее об этих измерениях и планах на будущее читайте в материале М. Мусина За волной волна.
Темп слияний

Еще одна величина, о которой астрофизики до сих пор могли судить только косвенно, это темп слияния черных дыр, то есть как часто происходят такие слияния в расчете на один кубический гигапарсек. До сих пор оценки, опирающиеся на разные аргументы, различались на порядки — собственно, поэтому, когда строили LIGO и другие детекторы, не было уверенности, когда обсерватория поймает первый гравитационно-волновой сигнал. Сейчас, когда мы имеем за душой 2 или 3 слияния за полтора месяца чистых наблюдений, у нас уже есть экспериментальное значение: общий темп слияний черных дыр звездных масс лежит в пределах 9–240 слияний в год в объеме один кубический гигапарсек. Не слишком точно, конечно, но это уже реальное число, подкрепленное наблюдениями.

Вообще, конечно, темп слияния для черных дыр разных масс тоже будет разный: тяжелых черных дыр меньше, чем легких, но с другой стороны, их «слышно» издалека. Если опираться только на данные, то можно лишь сказать, что в кубическом гигапарсеке в год ожидается несколько штук мощных событий типа GW150914 и несколько десятков (или даже до сотен) более слабых событий типа GW151226. Можно также оценить темп теоретически, на основе того распределения по массам, которое было получено из этих данных. Там погрешности побольше. Приведенное выше число, от 9 до 240 слияний/(год·Гпк3), охватывает диапазоны, полученные всеми этими методами.

Зная темп, накопив опыт в оценке шумов, а также опираясь на планы LIGO, мы можем оценить, на что LIGO может рассчитывать в ближайшем будущем. Это несколько событий во втором сеансе, который стартует осенью, и несколько десятков подобных слияний — в третьем. Пожалуй, вот эти оценки, вполне зрячие и обоснованные, — это сейчас самый главный повод для воодушевления. Они четко говорят, что ближайшие несколько лет станут периодом бурного развития гравитационно-волновой астрономии.

И в завершение — цитата Кристофера Берри, одного из участников коллаборации LIGO и автора очень информативного блога по гравитационно-волновой астрономии: «Мы живем в будущем, прямо сейчас. У нас, может быть, нет летающих скейтбордов, но эра гравитационно-волновой астрономии уже наступила. Не через 20 лет, не в следующем десятилетии, не через пять лет — а прямо сейчас. LIGO не просто открыла новое окно. Она вышибла его ко всем чертям и выпрыгнула наружу до того, как ударная волна вынесет всю стенку здания. Это всё настолько воодушевляет, что я даже не могу подобрать нормальную метафору. Вступительные слова во всех статьях по гравитационно-волновой астрономии будут отныне и навсегда совсем другими».

Источники:
1) LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 241103.
2) LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration. Binary Black Hole Mergers in the first Advanced LIGO Observing Run // arXiv:1606.04856 [gr-qc].
3) Технические данные по отдельным событиям: GW150914, LVT151012, GW151226.

См. также:
1) LIGO Does It Again: A Second Robust Binary Black Hole Coalescence Observed — пресс-релиз и сопроводительные материалы на сайте LIGO.
2) Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016.
3) С. Б. Попов. Эйнштейн был прав: гравитационно-волновая астрономия.
4) М. Мусин. За волной волна.
5) В. М. Липунов. Гравитационно-волновое небо.
6) Блог Кристофера Берри, участника коллаборации LIGO, с подробным рассказом про новые гравитационно-волновые события.
7) LIGO Magazine — полупопулярный журнал коллаборации LIGO, выходит дважды в год.

Игорь Иванов
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Новости, гравитационно-волновая астрономия

Номер сообщения:#39   morozov »

Открытая публичная лекция на кафедре физики колебаний Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
Открытие вселенского масштаба. Зафиксированы гравитационные волны, существование которых было предсказано Альбертом Эйнштейном ещё сто лет назад. Международная группа астрофизиков обнаружила колебания, вызванные грандиозной космической катастрофой - столкновением двух чёрных дыр массами 30 солнечных, на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет от Земли. В работе активное участие приняли российские учёные: член-корреспондент РАН В.Б. Брагинский, профессор В.П. Митрофанов, И.А. Биленко, С.П. Вятчанин, М.Л. Городецкий, Ф.Я. Халили, доцент С.Е. Стрыгин и ассистент Л.Г. Прохоров.

С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34616
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Новости, гравитационно-волновая астрономия

Номер сообщения:#40   morozov »

Михаил Коробко @Shkaff
Физик
Впервые зарегистрированы гравитационные волны: теперь официально
Физика*, Научно-популярное*, Астрономия*
Сегодня на специальной пресс-коференции ученые международной коллаборации LVC (LIGO) объявили о первом прямом детектировании гравитационных волн от слияния двух черных дыр с достоверностью 5.1σ.

UPD Запись пресс-конференции — историческое видео теперь. Кстати, отлично объясняю, что к чему. Еще добавил в конец статьи больше ссылок на материалы.


Image Credit: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel (see www.black-holes.org/lensing)

14 сентября 2015 год в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (расположенные в США) одновременно наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914. Сигнал с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10-21. Сигнал соответствует предсказаниям Общей Теории Относительности (ОТО) для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечной.

Что еще интереснее, это открытие впервые позволяет с уверенностью сказать о существовании систем черных дыр, и характеризовать динамику системы черных дыр с позиций ОТО.

Результаты исследования опубликованы сегодня в Physical Review Letters.


Как детектировали

С момента предсказания существования гравитационных волн Эйнштейном в 1916 году было предпринято множество попыток их наблюдения. С середины семидесятых велись работы над твердотельными детекторами (Вебер) – предполагалось, что массивные куски металла будут резонировать с гравитационными волнами, и изменение длины этих масс можно зарегистрировать достаточно чувствительными приборами. Однако это направление оказалось не перспективным – слишком большие шумы не позволяли достичь необходимой чувствительности. С 70х годов начали развиваться интерферометрические детекторы.

Изображение

Гравитационная волна меняет расстояние между подвижными конечными зеркалами интерферометра, вследствие чего наблюдается изменение интерференционной картины на выходе детектора. Для увеличения чувствительности такого детектора к расстоянию между зеркалами плечи интерферометра достигают длины 4 км, оптическая мощность на зеркалах – 100 кВт, а сами зеркала массой в 40 кг закреплены на высокодобротных (Q~107) подвесах и снабжены дополнительной системой изоляции от сейсмических шумов.

Изображение

В США расположено два одинаковых детектора на значительном расстоянии друг от друга, что позволяет производить независимое наблюдение, а затем коррелировать результаты для исключения локальных шумов и ложных сигналов. Кроме того, наличие двух (и более) детекторов помогает триангулировать сигнал для определения положения на небе.

Оба детектора в начале сентября 2015 года закончили многолетнюю процедуру обновления и находились в полностью рабочем состоянии на момент детектирования.

Что детектировали
Изображение

Сигнал, зарегистрированный детекторами совпадает с предсказаниями ОТО для слияния двух черных дыр. На протяжении 0.2 секунды две вращающиеся вокруг друг друга черные дыры сблизились из-за потери энергии вращения за счет гравитационного излучения и слились в одну черную дыру. Однако суммарная масса этой новой черной дыры оказалась на 3 солнечной массы меньше, чем сумма двух старых — энергия была излучена в гравитационных волнах.
Симуляция слияния черных дыр

Изначально две дыры находились чрезвычайно близко друг от друга – на расстоянии 350 км (при том что радиус Шварцшильда для них порядка 210 км). Расстояние (фотометрическое) до источника оценивается в 410 Мегапарсек.

Сигнал был задетектирован с очень высокой достоверностью: соотношением сигнал/шум 24 и достоверностью в 5.1σ (соответствующей одному ложному сигналу в 203 000 лет).
Было проведено множество проверок как на ложный сигнал, так и намеренную инжекцию. Все они показали отрицательный результат.

Что будет дальше?

Ученые продолжают исследовать событие, и вскоре будет представлено больше результатов как анализа данных, так и проверок ОТО. На этой странице можно найти подробную информацию о событии и прочие результаты исследования.

Сам гравитационно-волновой детектор будет усовершенстован и далее, что позволит детектировать больше событий. Ожидается увеличение чувствительности еще в несколько раз. В то же время детекторы Advanced VIRGO в Италии и KAGRA в Японии скоро начнут работу, а ученые уже планируют строительство новых детекторов для развития гравитационно-волновой астрономии: десятикилометровый Einstein Telescope в Европе и космический телескоп LISA с длиной плеч интерферометра в 5 миллионов километров.

В заключение добавлю пару ссылок и хороший фильм про LIGO.

Обсуждение обновленного детектора
Как сжатый свет применяется для увеличения чувствительности детекторов
Фильм LIGO generations
UPD Отличная статья на Элемантах
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»