stringtranslate.com

ГЕО600

GEO600 — это детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от города Сарштедт , в 20 километрах (12 миль) к югу от Ганновера , Германия. Он разработан и эксплуатируется учеными из Института гравитационной физики Макса Планка , Института квантовой оптики Макса Планка и Ганноверского университета Лейбница , а также Университета Глазго , Бирмингемского университета и Кардиффского университета в Соединенном Королевстве и финансируется Обществом Макса Планка и Советом по научно-техническим учреждениям (STFC).

GEO600 способен обнаруживать гравитационные волны в диапазоне частот от 50 Гц до 1,5 кГц, [1] и является частью всемирной сети детекторов гравитационных волн. [2] Этот прибор и его родственные интерферометрические детекторы, когда они работают, являются одними из самых чувствительных детекторов гравитационных волн, когда-либо созданных. Они предназначены для обнаружения относительных изменений расстояния порядка 10 −21 , что примерно соответствует размеру одного атома по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли. Строительство проекта началось в 1995 году. [3]

В марте 2020 года пандемия COVID-19 вынудила приостановить работу других обсерваторий гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo (а в апреле 2020 года — KAGRA ), но GEO600 продолжила работу. [4]

По состоянию на 2023 год GEO600 ведет активные операции по наблюдению за гравитационными волнами. [5]

История

В 1970-х годах две группы в Европе, одна под руководством Хайнца Биллинга в Германии и другая под руководством Рональда Древера в Великобритании, [6] инициировали исследования в области лазерно-интерферометрического обнаружения гравитационных волн. В 1975 году Институт астрофизики Макса Планка в Мюнхене начал с прототипа с длиной плеча 3 метра (9,8 фута), что привело к созданию прототипа с длиной плеча 30 метров (98 футов) в Институте квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге в 1983 году. В 1977 году кафедра физики и астрономии Университета Глазго начала аналогичные исследования, а в 1980 году начала эксплуатацию 10-метрового (33 фута) прототипа. [7] [8]

В 1985 году группа Гархинга предложила построить большой детектор с длиной плеча 3 километра (2 мили), британская группа — эквивалентный проект в 1986 году. Две группы объединили свои усилия в 1989 году — родился проект GEO, и горы Гарц на севере Германии считались идеальным местом. Однако проект не был профинансирован из-за финансовых проблем. Таким образом, в 1994 году был предложен детектор меньшего размера: GEO600, который должен был быть построен в низинах недалеко от Ганновера, с плечами длиной 600 метров (2000 футов). Строительство этого британо-германского детектора гравитационных волн началось в сентябре 1995 года. [8] [9]

В 2001 году Институт гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI) в Потсдаме взял на себя управление отделением MPQ в Ганновере, а с 2002 года детектор эксплуатируется совместным Центром гравитационной физики AEI и Ганноверского университета имени Лейбница совместно с университетами Глазго и Кардиффа. С 2002 года GEO600 участвовал в нескольких циклах обработки данных совместно с детекторами LIGO. [8] В 2006 году GEO600 достиг проектной чувствительности, но до сих пор не было обнаружено ни одного сигнала. Следующая цель — уменьшить остаточный шум еще примерно в 10 раз до 2016 года. [10] [11] [ требуется обновление ]

Аппаратное обеспечение

GEO600 — это интерферометр Майкельсона . Он состоит из двух плеч длиной 600 метров (2000 футов), которые лазерный луч проходит дважды, так что эффективная оптическая длина плеча составляет 1200 метров (3900 футов). Основные оптические компоненты расположены в сверхвысоковакуумной системе с давлением менее 10−8 мбар . [1]

Подвески и сейсмоизоляция

Для точных измерений оптика должна быть изолирована от движения грунта и других воздействий окружающей среды. По этой причине все наземные интерферометрические детекторы гравитационных волн подвешивают свои зеркала как многоступенчатые маятники. Для частот выше резонансной частоты маятника маятники обеспечивают хорошую изоляцию от вибраций. Вся основная оптика GEO600 подвешена как тройные маятники, чтобы изолировать зеркала от вибраций в горизонтальной плоскости. Самая верхняя и промежуточная масса подвешены на консольных пружинах, которые обеспечивают изоляцию от вертикального движения. На самой верхней массе находятся шесть приводов катушки-магнита, которые используются для активного гашения маятников. [12] Кроме того, вся подвесная клетка установлена ​​на пьезокристаллах. Кристаллы используются для «системы активной сейсмической изоляции». Она перемещает всю подвеску в направлении, противоположном движению грунта, так что движение грунта отменяется. [13]

Оптика

Главные зеркала GEO600 представляют собой цилиндры из плавленого кварца диаметром 18 сантиметров (7,1 дюйма) и высотой 10 сантиметров (3,9 дюйма). Расщепитель луча, имеющий размеры 26 сантиметров (10 дюймов) в диаметре и 8 сантиметров (3,1 дюйма) в толщину, является единственной пропускающей частью оптики в пути высокой мощности, поэтому он был изготовлен из плавленого кварца особого сорта. Его поглощение было измерено и составило менее 0,25 ppm на 1 сантиметр (0,39 дюйма). [14]

Передовой

GEO600 использует множество передовых технологий и оборудования, которые планируется использовать в следующем поколении наземных детекторов гравитационных волн:

Еще одним отличием от других проектов является то, что у GEO600 нет полостей для рук.

Чувствительность и измерения

Чувствительность к деформации гравитационной волны обычно измеряется в амплитудной спектральной плотности (ASD). Пиковая чувствительность GEO600 в этом блоке составляет 2×10 −22 1/ √ Гц при 600 Гц. [20] На высоких частотах чувствительность ограничена доступной мощностью лазера. На низкочастотном конце чувствительность GEO600 ограничена сейсмическим движением грунта.

Совместный научный проект с LIGO

В ноябре 2005 года было объявлено, что инструменты LIGO и GEO начали расширенный совместный научный запуск . [21] Три инструмента (инструменты LIGO расположены около Ливингстона , Луизиана и на площадке Ханфорд , Вашингтон, США) собирали данные более года с перерывами на настройку и обновления. Это был пятый научный запуск GEO600. Во время предыдущих запусков не было обнаружено никаких сигналов.

Первое наблюдение гравитационных волн 14 сентября 2015 года было объявлено коллаборациями интерферометров LIGO и Virgo 11 февраля 2016 года. [22] [23] Однако интерферометр Virgo в Италии в то время не работал, а GEO600 находился в инженерном режиме и был недостаточно чувствителен, поэтому не мог подтвердить сигнал. [23] [24] GEO600 начал собирать данные одновременно с Advanced LIGO 18 сентября 2015 года. [24]

Утверждения о голографических свойствах пространства-времени

15 января 2009 года в журнале New Scientist было сообщено, что некоторые пока неопознанные шумы, которые присутствовали в измерениях детектора GEO600, могли быть вызваны тем, что прибор чувствителен к чрезвычайно малым квантовым флуктуациям пространства-времени, влияющим на положение частей детектора. [25] Это заявление было сделано Крейгом Хоганом , ученым из Фермилаб , на основе его собственной теории о том, как такие флуктуации должны происходить, мотивированной голографическим принципом . [26]

В статье New Scientist говорится, что Хоган отправил свое предсказание «голографического шума» в коллаборацию GEO600 в июне 2008 года и впоследствии получил график избыточного шума, который «выглядел точно так же, как и мой прогноз». Однако Хоган знал до этого времени, что эксперимент обнаруживает избыточный шум. В статье Хогана, опубликованной в Physical Review D в мае 2008 года, говорится: [27]

Приблизительное совпадение прогнозируемого голографического шума с необъяснимым шумом в GEO600 мотивирует к дальнейшему изучению.

Хоган цитирует доклад 2007 года от сотрудничества GEO600, в котором уже упоминается «среднеполосный „загадочный“ шум», и где построены спектры шума. [28] Аналогичное замечание было сделано в статье GEO600, представленной в октябре 2007 года и опубликованной в мае 2008 года: [29]

в диапазоне от 100 Гц до 500  Гц обнаружено расхождение между некоррелированной суммой всех шумовых проекций и фактически наблюдаемой чувствительностью.

Для детекторов гравитационных волн очень распространено находить избыточный шум, который впоследствии устраняется. По словам Карстена Данцмана, главного исследователя GEO600, [25]

ежедневная работа по улучшению чувствительности этих экспериментов всегда приводит к появлению некоторого избыточного шума [...]. Мы работаем над тем, чтобы определить его причину, избавиться от нее и заняться следующим источником избыточного шума.

Кроме того, некоторые новые оценки уровня голографического шума в интерферометрии показывают, что он должен быть намного меньше по величине, чем утверждал Хоган. [30]

Данные и Эйнштейн@дома

Регистрируется не только выход основного фотодиода, но и выход ряда вторичных датчиков, например, фотодиодов, измеряющих вспомогательные лазерные лучи, микрофоны, сейсмометры, акселерометры, магнитометры и производительность всех цепей управления. Эти вторичные датчики важны для диагностики и обнаружения влияния окружающей среды на выход интерферометра. Поток данных частично анализируется проектом распределенных вычислений « Einstein@home », программным обеспечением, которое добровольцы могут запускать на своих компьютерах.

С сентября 2011 года детекторы VIRGO и LIGO были закрыты для модернизации, в результате чего GEO600 остался единственным работающим крупномасштабным лазерным интерферометром, ищущим гравитационные волны. [31] Впоследствии, в сентябре 2015 года, усовершенствованные детекторы LIGO были включены в сеть и использовались в первом наблюдательном сеансе «O1» с чувствительностью примерно в 4 раза выше, чем у Initial LIGO для некоторых классов источников (например, двойных нейтронных звезд), и с гораздо большей чувствительностью для более крупных систем с их пиковым излучением на более низких звуковых частотах. [32] Эти усовершенствованные детекторы LIGO были разработаны в рамках научного сотрудничества LIGO с Габриэлой Гонсалес в качестве представителя. К 2019 году чувствительность новых усовершенствованных детекторов LIGO должна быть как минимум в 10 раз выше, чем у оригинальных детекторов LIGO. [ требуется обновление ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Технические характеристики GEO600". uni-hannover.de . Получено 21 февраля 2016 г. .
  2. ^ "GEO600 brochure" (PDF) . GEO600.org. Архивировано из оригинала (PDF) 1 марта 2016 г. Получено 21 февраля 2016 г.
  3. ^ "История и цель — GEO600". Архивировано из оригинала 25 сентября 2009 года . Получено 4 января 2009 года .
  4. ^ "Март 2020".
  5. ^ «Детекторы гравитационных волн начинают следующий цикл наблюдений, чтобы исследовать тайны Вселенной». GEO600.org. 24 мая 2023 г. Получено 14 августа 2023 г.
  6. ^ "Краткая история LIGO" (PDF) . ligo.caltech.edu. Архивировано из оригинала (PDF) 3 июля 2017 г. Получено 21 февраля 2016 г.
  7. ^ Джим Хаф; Шейла Роуэн (2005). "Лазерная интерферометрия для обнаружения гравитационных волн" (PDF) . Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 7 (6): S257–S264. Bibcode :2005JOptA...7S.257H. doi :10.1088/1464-4258/7/6/001.
  8. ^ abc "Tracking down the gentle tremble". Хельмут Хорнунг . Max-Planck-Gesellschaft . 2016. Получено 22 февраля 2016 .
  9. ^ "GEO600: История и цель". uni-hannover.de . Получено 21 февраля 2016 г. .
  10. ^ Lück, H. & Grote, H. (2012). "GE600". Усовершенствованный детектор гравитационных волн. Cambridge University Press. С. 155–168. ISBN 9780521874298.
  11. ^ "История GEO600". GEO600.org. Архивировано из оригинала 2 марта 2016 года . Получено 21 февраля 2016 года .
  12. ^ Госслер, Стефан и др. (2002). «Система очистки мод и аспекты подвески GEO600». Класс. Quantum Grav . 19 (7): 1835–1842. Bibcode : 2002CQGra..19.1835G. doi : 10.1088/0264-9381/19/7/382. hdl : 11858/00-001M-0000-0013-53B6-D . S2CID  250891892.
  13. ^ Plissi, MV; et al. (2000). "Система подвески с тремя маятниками GEO600: сейсмическая изоляция и контроль". Rev. Sci. Instrum . 71 (6): 2539–2545. Bibcode :2000RScI...71.2539P. doi :10.1063/1.1150645. hdl : 11858/00-001M-0000-0012-CB66-5 .
  14. ^ Hild, Stefan; et al. (2006). «Измерение образца плавленого кварца с низким поглощением OH-восстановленного». Applied Optics . 45 (28): 7269–72. Bibcode :2006ApOpt..45.7269H. doi :10.1364/AO.45.007269. hdl : 11858/00-001M-0000-0013-4C28-4 . PMID  16983413.
  15. ^ "GEO600.org". Веб-страница GEO600 . Получено 21 декабря 2015 г.
  16. ^ Lueck, H; et al. (2004). "Термическая коррекция радиусов кривизны зеркал для GEO600". Класс. Quantum Grav . 21 (5): S985–S989. Bibcode :2004CQGra..21S.985L. doi :10.1088/0264-9381/21/5/090. hdl : 11858/00-001M-0000-0013-5129-E . S2CID  250885733.
  17. ^ Хильд, Стефан и др. (2009). "DC-считывание сигнала-рециркулированного детектора гравитационных волн". Класс. Quantum Grav . 26 (5): 055012. arXiv : 0811.3242 . Bibcode : 2009CQGra..26e5012H. doi : 10.1088/0264-9381/26/5/055012. S2CID  17485217.
  18. ^ Prijatelj, Miro; et al. (2012). "Очиститель выходного режима GEO600". Класс. Quantum Grav . 29 (5): 055009. Bibcode : 2012CQGra..29e5009P. doi : 10.1088/0264-9381/29/5/055009. hdl : 11858/00-001M-0000-000E-B049-5 . S2CID  110048546.
  19. ^ Научное сотрудничество LIGO (2011). «Обсерватория гравитационных волн, работающая за пределами квантового дробового шума». Nature Physics . 7 (12): 962–965. arXiv : 1109.2295 . Bibcode :2011NatPh...7..962L. doi :10.1038/nphys2083. S2CID  209832912.
  20. ^ "GEO600 Sensitivity". Архивировано из оригинала 26 июля 2013 года . Получено 17 мая 2013 года .
  21. ^ Biennial Reports 2004/05 Max Planck Institute for Gravitational Physics (PDF) . aei.mpg.de. 2005. стр. 37 . Получено 21 февраля 2016 г. .
  22. ^ Эбботт, Бенджамин П. и др. (LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration) (2016). «Наблюдение гравитационных волн от слияния бинарных черных дыр». Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv : 1602.03837 . Bibcode :2016PhRvL.116f1102A. doi :10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975. S2CID  124959784.
    • «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойных черных дыр» (PDF) . Научное сотрудничество LIGO .
  23. ^ ab Кастельвекки, Давиде; Витце, Александра (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна». Nature News . doi :10.1038/nature.2016.19361. S2CID  182916902 . Получено 11 февраля 2016 г. .
  24. ^ ab GEO600: усовершенствованные детекторы LIGO начинают первый цикл наблюдений. Архивировано 24.02.2016 на Wayback Machine .
  25. ^ ab New Scientist - Наш мир может быть гигантской голограммой
  26. ^ Хоган, Крейг Дж.; Марк Г. Джексон (июнь 2009 г.). «Голографическая геометрия и шум в теории матриц». Phys. Rev. D. 79 ( 12): 124009. arXiv : 0812.1285 . Bibcode : 2009PhRvD..79l4009H. doi : 10.1103/PhysRevD.79.124009. S2CID  15035175.
  27. ^ Хоган, Крейг Дж. (2008). «Измерение квантовых флуктуаций в геометрии». Phys. Rev. D. 77 ( 10): 104031. arXiv : 0712.3419 . Bibcode : 2008PhRvD..77j4031H. doi : 10.1103/PhysRevD.77.104031. S2CID  119087922.
  28. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 . Получено 2 марта 2009 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Доклад К. Стрэйна «Статус GEO600»
  29. ^ Гроте, Х; Научное сотрудничество LIGO (7 июня 2008 г.). «Статус GEO 600». Классическая и квантовая гравитация . 25 (11): 114043. doi :10.1088/0264-9381/25/11/114043. ISSN  0264-9381.
  30. ^ Смольянинов, Игорь И. (апрель 2009). "Уровень голографического шума в интерферометрии". Phys. Rev. D. 78 ( 8): 087503. arXiv : 0903.4129 . Bibcode : 2009PhRvD..79h7503S. doi : 10.1103/PhysRevD.79.087503. S2CID  119114750.
  31. ^ "GWIC roadmap p.65" (PDF) . Получено 17 мая 2013 г.
  32. ^ Aasi, J (9 апреля 2015 г.). "Advanced LIGO". Классическая и квантовая гравитация . 32 (7): 074001. arXiv : 1411.4547 . Bibcode : 2015CQGra..32g4001L. doi : 10.1088/0264-9381/32/7/074001. S2CID  118570458.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме GEO600 .