Наблюдения гравитационных волн

[stalvoron]

Заинтригованный наименованием темы, был бы признателен компетентным товарищам за совет. Где можно ознакомится с отчётом или вернее популярным изложением (на русском) о постановке эксперимента и о результатах эксперимента (научной работы) по фиксации гравитационных волн? В СМИ излагался сам факт такого события , но как правило кроме восторга, абсолютно без подробностей.

Pphantom:

Выделено из другой темы.

[amon]

stalvoron в сообщении #1544701 писал(а):

Где можно ознакомится с отчётом или вернее популярным изложением (на русском)

Например, здесь.

[stalvoron]

amon в сообщении #1544704 писал(а):

stalvoron в сообщении #1544701

писал(а):
Где можно ознакомится с отчётом или вернее популярным изложением (на русском) Например, здесь.

. Спасибо!

[stalvoron]

Пока интересную тему в Пургаторий не выкинули. Подскажите пожалуйста, кто знает, как в экспериментах LIGO (или точнее каким образом), связывают результаты показаний детектора гравитационных волн (изменение интерференции) с конкретными астрономическими явлениями. Ведь если не обеспечена синхронизация фиксации события с показаниями детектора ( например слияния "чёрных дыр") то показания детектора даже с учётом исключения всевозможных "шумов" всё равно нельзя с достоверностью трактовать как следствие влияния именно гравитационных волн. Например, я смотрю за колебанием поплавка на воде. Я сколь угодно могу добиваться и добиться исключения влияния ветра , температуры и т.д. т.е. исключить влияние факторов, не связанных с возмущением водной среды, но я ведь могу наблюдать водную гладь и более менее надёжно связывать событие "возмущение" например визуально, или установить серию "поплавков". А вот как можно связать нарушение интерференционной картины с событием в космосе, если мы не видим даже направление источника. Или есть несколько детекторов которые позволяют определить направление? В замечательном описании, предоставленным уважаемым amon, этот момент к сожалению не освещен.

[sergey zhukov]

stalvoron
Во первых, да: детекторов несколько. В Америке как минимум два в разных местах. Если оба они одновременно ловят одинаковый сигнал, то это сильно повышает вероятность того, что это не местный шум. Так и было.

Во вторых, слияние всевозможных различных объектов на разном расстоянии от нас и с разной ориентацией орбит заранее было промоделировано на компьютере. Мы вообще говоря, заранее знаем, что должны увидеть в этом эксперименте. Не каждый шум выглядит, как результат слияния.

В третьих, интерферометр имеет два плеча, поэтому кое-что о направлении падающей волны он все же может сказать.

Связать гравитационные волны с конкретным источником - значит увидеть этот источник в электромагнитном спектре (да еще в последний момент слияния). Это вряд-ли возможно, т.к. все самые мощные источники гравитационных волн - это слияние почти невидимых и крайне маленьких объектов - нейтронных звезд и черных дыр. К тому же они часто довольно далеко от нас.

Мы вот даже Плутон, который, можно сказать, у нас под носом, толком не можем разглядеть в телескоп. А черная дыра массой в несколько десятков масс Солнца (на которую настроена гравитационная антена) гораздо меньше и темнее Плутона.

[Pphantom]

sergey zhukov в сообщении #1544925 писал(а):

Во первых, да: детекторов несколько. В Америке как минимум два в разных местах.

Вообще говоря, больше, да только регистрировать гравитационное излучение можно (пока?) из них только на двух детекторах LIGO. Плюс VIRGO в Италии, плюс (в последнем наблюдательном сете) KAGRA в Японии.

sergey zhukov в сообщении #1544925 писал(а):

В третьих, интерферометр имеет два плеча, поэтому кое-что о направлении падающей волны он все же может сказать.

Практически ничего. Этот эффект есть, но получающееся "угловое разрешение" оказывается порядка радиана, и то если повезет с направлением на источник. В итоге локализация обусловлена почти исключительно наблюдением на нескольких детекторах и фиксацией разницы времен регистрации.

sergey zhukov в сообщении #1544925 писал(а):

Связать гравитационные волны с конкретным источником - значит увидеть этот источник в электромагнитном спектре (да еще в последний момент слияния). Это вряд-ли возможно, т.к. все самые мощные источники гравитационных волн - это слияние почти невидимых и крайне маленьких объектов - нейтронных звезд и черных дыр. К тому же они часто довольно далеко от нас.

Как раз возможно, иначе было бы неинтересно.

Слияние двух черных дыр не дает в ЭМИ ничего (по крайней мере непосредственно, косвенные эффекты принципиально возможны, но в любом случае не наблюдались), а вот слияние двух нейтронных звезд - это механизм вспышки коротких гамма-всплесков, для которых можно и послесвечение в более длинноволновых диапазонах наблюдать. Вот вам ниже пример "невозможного" - это оптический транзиент события 17 августа 2017 года (выделен рисками).

[sergey zhukov]

Pphantom
Интересно.

Столкновение нейтронных звезд может сопровождаться гамма-вспышкой. А гамма-телескоп - это такой прибор, который следит одновременно за всем небом сразу. Он ловит сразу все вспышки со всех направлений и может определить направление прихода гамма-излучения точнее, чем гравитационная антенна. Гамма-вспышки приходят на Землю из космоса со всех сторон примерно по одной вспышке за сутки.

Если одновременно с гравитационной волной будет зафиксирована такая вспышка, то можно предположить общий источник. По наводке гамма-телескопа можно уже посмотреть в оптический телескоп в заданном направлении, не видно ли там чего-нибудь интересного. Оказывается, что после слияния нейтронных звезд может еще очень долго (десятки суток) наблюдаться затухающее излучение в различных диапазонах. Вот для этого события GW170817 время послесвечения составило порядка 10 дней. Это, похоже, верно даже в том случае, когда в результате слияния образуется не нейтронная звезда, а черная дыра. Не очень понятно, что там столько времени светит, правда. Вероятно, часть вещества нейтронных звезд избегает коллапса и выбрасывается (как оболочка сверхновой)? Или возникает акреционный диск?

В любом случае обнаружение в ЭМИ диапазоне происходит уже задним числом. Т.е. у нас нет никаких кандидатов на гарантированное слияние в ближайшем будущем, на которые мы могли бы нацелить телескопы и ждать события. Гравитационный и гамма-всплекс приходят со случайного направления. Если нет последующего более длительного послесвечения, мы просто не успеем ничего там увидеть. Но, конечно, сам факт того, что сигналы с гравитационных детекторов будут часто совпадать по времени с гамма-всплесками, уже дает дополнительную уверенность в том, что гравитационные антенны ловят не земные шумы, а сигналы из далекого космоса.

А почему гамма-телескопы могут одновременно осматривать сразу все небо, да еще и ловить сигналы из такой дали? Оптические телескопы ведь на такое не способны? Или тут все дело просто в огромной энергии гамма-вспышки (или огромной энергии каждого гамма-кванта)?

[Pphantom]

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

А гамма-телескоп - это такой прибор, который следит одновременно за всем небом сразу.

С чего бы это? Нет, конечно, можно просто выставить на орбиту счетчик Гейгера и получить нечто подобное, но такое давно никому не надо.

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

Оказывается, что после слияния нейтронных звезд может еще очень долго (десятки суток) наблюдаться затухающее излучение в различных диапазонах.

Правда, десятки суток - это если сильно повезет. Обычно меньше (сутки-двое, если вообще есть).

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

Вероятно, часть вещества нейтронных звезд избегает коллапса и выбрасывается (как оболочка сверхновой)?

Да, примерно так.

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

В любом случае все это происходит уже задним числом. Т.е. у нас нет никаких кандидатов на гарантированное слияние в ближайшем будущем, на которых мы могли бы нацелить телескопы и ждать события. Гравитационный и гамма-всплекс приходят со случайного направления.

Естественно. У нас вообще ситуации, когда можно на что-то навестись заранее и дождаться результата за разумное время, встречаются запредельно редко.

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

Но, конечно, сам факт того, что сигналы с гравитационных детекторов будут часто совпадать по времени с гамма-всплесками, уже дает дополнительную уверенность в том, что это не земные шумы, а сигналы из далекого космоса.

Не только по времени, но и по направлению. К тому же характер сигнала позволяет определить, что его испустило, так что сравнивать вполне можно.

sergey zhukov в сообщении #1544944 писал(а):

А почему гамма-телескопы могут одновременно осматривать сразу все небо, да еще и ловить сигналы из такой дали? Оптические телескопы ведь на такое не способны? Или тут все дело

Дело главным образом в том, что оба утверждения неверны. Патрульные наблюдения в оптическом диапазоне проще попросту из-за того, что инструментов больше (и можно построить специально предназначенные только для этого). Для патруля гамма-всплесков нужны специальные ухищрения, фактически тоже отдельный комплекс, который занимается только этим, но таких инструментов на порядки меньше.

[stalvoron]

Уважаемые, sergey zhukov иPphantom,спасибо за ответ!

Pphantom в сообщении #1544932 писал(а):

sergey zhukov в сообщении #1544925

писал(а):
Во первых, да: детекторов несколько. В Америке как минимум два в разных местах. Вообще говоря, больше, да только регистрировать гравитационное излучение можно (пока?) из них только на двух детекторах LIGO. Плюс VIRGO в Италии, плюс (в последнем наблюдательном сете) KAGRA в Японии.

. Вероятно когда нибудь аналогичную установку можно будет реализовать в космосе. С точки зрения преодоления "шумов" это будет эффективно.

sergey zhukov в сообщении #1544925 писал(а):

Связать гравитационные волны с конкретным источником - значит увидеть этот источник в электромагнитном спектре (да еще в последний момент слияния)

. Вероятно (по крайней мере на данном этапе исследований и уровне знаний) главным является сам факт однозначной регистрации таких волн? Мой интерес был вызван именно трактовкой в СМИ типа вот все знали что две чёрные дыры сольются - приготовились и -раз!!! - зафиксировали гравитационные волны". Но насколько я понял, всё не так есть и исследования по наработке экспериментальных подтверждений будут ещё очень длительными.

[Pphantom]

stalvoron в сообщении #1544949 писал(а):

Вероятно когда нибудь аналогичную установку можно будет реализовать в космосе. С точки зрения преодоления "шумов" это будет эффективно.

В первую очередь с точки зрения размера. Но да, см. проект LISA. Правда, запуск сейчас планируется на 2034 год, так что ко второй половине века, возможно, и полетит.

stalvoron в сообщении #1544949 писал(а):

Вероятно (по крайней мере на данном этапе исследований и уровне знаний) главным является сам факт однозначной регистрации таких волн?

Уже нет. Собственно, то самое событие 17.08.2017 ситуацию и изменило: до этого первые регистрации действительно были примечательны тем, что мы наконец-то что-то поймали и это что-то соответствует тому, что ожидалось. Начиная с этого события появилась возможность извлекать из гравитационных наблюдений содержательную проверяемую информацию об источниках.

Правда, если несколько уменьшить уровень пафоса , то реально пока получилось всего шесть слияний нейтронных звезд, причем еще только в одном случае словили гамма-всплеск (25 апреля 2019 года). Остальное в основном работает на статистику черных дыр, хотя и там есть интересные вещи (например, образование дыры с массой 142 массы Солнца (21 мая 2019 года) - как возможный вариант механизма возникновения ЧД промежуточных масс, больших, чем звездные, и меньших, чем галактические).

[sergey zhukov]

Pphantom
Например, для того же GW170817 сначала зафиксировали гамма-всплеск, а затем уже стали шарить оптическими телескопами. Т.е. заметить это событие в оптике было труднее (даже несмотря на то, что оптических инструментов больше), ведь так?

Вероятно, это связано с тем, что мощность гамма-всплеска гораздо выше, чем мощность излучения послесвечения? Поэтому даже самые широкоугольные гамма-телескопы легко фиксируют такие вспышки, а широкоугольные оптические телескопы ничего на этом месте не увидят.

И высокая энергия гамма-квантов от таких вспышек тоже, наверное, играет роль. Например, даже один особо энергичный гамма-квант , который мы поймали, уже может указывать на то, что он родился в каком-то процессе с огромной концентрацией энергии. А квант низкой энергии сам по себе ни на что не указывает. Он мог появится откуда угодно. Или нет?

Да, нейтронные звезды обладают слишком малой массой, чтобы гравитационно увидеть их слияние издалека. Все зарегистрированные события с нейтронными звездами - это, вероятно, относительно близкие события. А вот черные дыры могут быть гораздо массивнее. Их слияния можно видеть с бОльших расстояний.

[Pphantom]

sergey zhukov в сообщении #1544955 писал(а):

Например, для того же GW170817 сначала зафиксировали гамма-всплеск, а затем уже стали шарить оптическими телескопами. Т.е. заметить это событие в оптике было труднее (даже несмотря на то, что оптических инструментов больше), ведь так?

Смотря что понимать под словом "труднее". Труднее непосредственно наблюдать - нет. Труднее выделить из многих других похожих - да.

sergey zhukov в сообщении #1544955 писал(а):

Вероятно, это связано с тем, что мощность гамма-всплеска гораздо выше, чем мощность излучения послесвечения? Поэтому даже самые широкоугольные гамма-телескопы легко фиксируют такие вспышки, а широкоугольные оптические телескопы ничего на этом месте не увидят.

Сравнение бессмысленное. У инструментов существенно разных диапазонов сильно отличается чувствительность, так что никакой зависимости в общем случае нет.

Ну и, кстати, не бывает "широкоугольных гамма-телескопов". Бывают системы гамма-детекторов с большим или меньшим полем зрения.

sergey zhukov в сообщении #1544955 писал(а):

Например, даже один особо энергичный гамма-квант , который мы поймали, уже может указывать на то, что он родился в каком-то процессе с огромной концентрацией энергии. А квант низкой энергии сам по себе ни на что не указывает. Он мог появится откуда угодно. Или нет?

Или нет.

[sergey zhukov]

Pphantom в сообщении #1544956 писал(а):

Ну и, кстати, не бывает "широкоугольных гамма-телескопов". Бывают системы гамма-детекторов с большим или меньшим полем зрения.

В чем тут главная разница? Если взять любой детектор излучения, то у него есть некоторый телесный угол обзора, внутри которого он может различать направление падающего на него излучения с некоторым угловым разрешением. Это вроде и для гамма-детектора так.

Почему говорить "широкоугольный" неправильно, а "с большим полем зрения" - правильно? Эти две характеристики разве не связаны напрямую чисто геометрически?

[Pphantom]

sergey zhukov в сообщении #1544961 писал(а):

В чем тут главная разница? Если взять любой детектор излучения, то у него есть некоторый телесный угол обзора, внутри которого он может различать направление падающего на него излучения с некоторым угловым разрешением. Это вроде и для гамма-детектора так.

В общем-то нет (и не только для гамма-детектора). Подобное может получиться, если детектор умеет строить изображение, что для гамма-детектора проблематично (и для многих других - тоже, например, для радиотелескопов).

Собственно, те же гравитационные телескопы - хороший пример подобной ситуации. Говорить о широкоугольности одного телескопа бессмысленно, равно как и об определении им направления с некоторым угловым разрешением, а вот для системы из нескольких телескопов угловое разрешение становится осмысленной характеристикой.

[=SSN=]

Pphantom в сообщении #1544963 писал(а):

Подобное может получиться, если детектор умеет строить изображение, что для гамма-детектора проблематично (и для многих других - тоже, например, для радиотелескопов).

Радиотелескопы уже, вроде, умеют. Но угловое разрешение, есс-но, на шесть порядков хуже, чем у оптических: CHIME Telescope.

Цитата:

CHIME is a novel radio telescope that has no moving parts. Originally conceived to map the most abundant element in the universe - hydrogen - over a good fraction of the observable universe, this unusual telescope is optimized to have a high "mapping speed", which requires a large instantaneous field of view (~200 square degrees) and broad frequency coverage (400-800 MHz).

И, кстати, гравитационные волны вроде бы можно ещё детектировать с помощью millisecond pulsars.

Цитата:

The experiment exploits the predictability the pulses from rapidly rotating neutron stars called millisecond pulsars (MSPs) and uses them as a system of Galactic clocks. Gravitational waves will cause changes in the travel times of pulses between pulsars and the Earth, detectable as perturbations in pulsar time-of-arrival measurements.