Мені здаєтсья, що цьому бложику бракує трохи popscience.
14 вересня 2015 світ змінився. Цього дня вдалось вперше здійснити пряме детектування гравітаційних хвиль. Дві чорні діри масою близько 30 сонячних злились більше мільярда років тому. Кропіткий аналіз забрав ще трохи часу і 11 лютого 2016 про це дізнався увесь світ.
Пошуки ж гравітаційних хвиль почались значно раніше. Прямі інтерферометричні методи були запропоновані ще в 60-х, проте мала чутливість інструментів не дозволяла їх зареєструвати. Непрямі ж свідчення гравітаційних хвиль були вперше виявлені в середині 70х, за що Галс і Тейлор отримали Нобелівську премію у 1993.
В залежності від частоти гравітаційних хвиль, існують різні інструменти, що добре працюють лише у своїй області. По суті існують три типи детекторів (наземні, космічні, pulsar timing) + ранній всесвіт, який я чіпати не буду.
Сучасні детектори гравітаційних хвиль (LIGO, Virgo) є наземними інтерферометрами і з найкращою чутливістю від десятків Герц до кількох кілогерц. На малюнку знизу показана крива чутливості для LIGO/VIRGO детекторів. Як бачимо мінімуму вона досягає близько 200 Гц, отже на 200 Гц – найкраща чутливість.
Це великі частоти. Не всі тіла обертаються з такою великою швидкістю. Наприклад Земля обертається навколо Сонця з частотою 1/(365*24*60*60)=3.2х10^(-8) Гц. Тобто приблизно в значно повільніше ніж мінімальна границя чутливості цих детекторів.
Проте і на цих частотах є чимало цікавих об’єктів, від яких можливо задетектувати гравітаційні хвилі. Наприклад дві чорна діри чи нейтронні зірки, або чорна діра + нейтронна зірка, що зливаються. Теоретично можливо спостерігати гравітаційні хвилі від вибуху супернової, тощо.
Одне з головних обмежень чутливості на низьких частотах, це є сейсмічний шум. Майбутній детектор Einstein telescope буде вже не на поверхні землі, а на на літосферній плиті, уже під землею, що значно покращить його характеристики.
Проте і це не ідеал. Наступний детектор гравітаційних хвиль буде вже у космосі, де цей сейсмічний шум взагалі відсутній. Це LISA (Laser Interferometer Space Anthena) детектор є по-суті збіркою з трьох супутників, що розташовані на відстані в 2.5 мільйони кілометрів. Між кожним супутником здійснюється вимірювання відстані з точність 10^(-21). Даний детектор зможе детектувати гравітаційні хвилі від міліГерц. Очікується ловити гравітаційні хвилі разів зо три в годину.
Як же опуститись нижче по частоті детектування? Інтерферометрією це навряд досягти. Навіть LISA проект є на межі мистецтва. Цим методом на наногерцовому діапазоні частот є Pulsar timing. Pulsar timing – це детектування гравітаційних хвиль, шляхом виміру і аналізу мікро-затримок у прибутті імпульсів від пульсарів
.
Пульсар це нейтронна зірка, що дуже точно випромінює радіосигнал.
По осі X є період, а по осі Y похідна періоду (тобто наскільки період змінюється). По суті по осі Y це точність цього годинника. Точність земного атомного годинника 10^(-18). Тобто пульсари це неймовірно точні годинники, що розкидані по всьому всесвіту. Навіть найменше відхилення у прибутті імпульсу буде свідчити про наявність викривлення простору-часу спричинене гравітаційними хвилями (за умови, що всі інші затримки виокремлені).
Для Pulsar timing використовуються мілісекундні пульсари. Вони Знаходяться в лівому нижньому куті. Окрім періоду порядку мілісекунди, вони мають на порядки кращу точність.
Основна ідея методу така: маючи сигнал з багатьох пульсарів, можна відокремити корисний сигнал (що несе інформацію про гравітаційні хвилі) від шуму. Бо шум для кожного пульсару буде некорельований, а от сигнал від гравітаційної хвилі буде корелювати у сигналах затримки для різних пульсарів.
P.S. Це перший мій запис подібного типу. Згодом ще буде кілька про основи Pulsar timing.