Narodziny astronomii fal grawitacyjnych. Andrzej Królak

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Narodziny astronomii fal grawitacyjnych. Andrzej Królak"

Lech Kaźmierczak
6 lat temu
Przeglądów:

1 Narodziny astronomii fal grawitacyjnych Andrzej Królak 1

2 Co będzie na wykładzie? Fale grawitacyjne i teoria grawitacji Źródła fal grawitacyjnych Detektory fal grawitacyjnych Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych ze zlania się czarnych dziur Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych ze zlania się gwiazd neutronowych Astronomia fal grawitacyjnych 2

kwadrupolowy 2 2G ( t) 2 c r t h Iij ( t 4 c Linearyzacja r ) 16 c 4 G T 2 2 2

3 Co to są fale grawitacyjne? Metryka Równania Einsteina g μν = η μν + h μν G μν = 8πG/c 4 T μν hij Moment kwadrupolowy 2 2G ( t) 2 c r t h Iij ( t 4 c Linearyzacja r ) 16 c 4 G T c t x1 x2 x3 Wzór kwadrupolowy 3 3 G L I ij I ij 5 3 5c t t 3 Einstein 1916, 1918 G/c 4 = 8, [s 2 /(kg m)] 3

4 Fale grawitacyjne w OTW Wątpliwości co do tego czy pełne równania Einsteina rzeczywiście dopuszczają istnienie promieniowania grawitacyjnego i czy przenosi ono energię. Wielka czwórka : H. Bondi, F. Pirani, R. Sachs, A. Trautman wykazała (przełom lat 50 i 60), że równania Einsteina przewidują zjawisko promieniowania grawitacyjnego. A. Trautman, Radiation and boundary conditions in the theory of gravitation, Bull. Acad. Polon. Sci., sér. sci. math., astr. et phys (1958). I. Robinson i A. Trautman, Spherical gravitational waves, Phys. Rev. Lett., 4, (1960). 4

5 Jak zrobid falę grawitacyjną h» 32p 2 GM R 2 2 f orb!!! rc 4 Spróbuj we własnej pracowni! 1000 kg M = 1000 kg R = 1 m f = 1000 Hz r = 300 m h ~ kg 5

6 Źródła fal grawitacyjnych q Zlewanie układów podwójnych gwiazd np. gwiazd neutronowych, czarnych dziur Wybuchy gwiazd supernowych Stochastyczne promieniowanie tła powstałe po wielkim wybuchu Rotujące gwiazdy neutronowe pulsary 6

7 Sygnał fali grawitacyjnej ze zlania się dwóch czarnych dziur - Kip S. Thorne Advanced R & D Proposal -NSF Technical Review, October 1996 Dokładne modele zlania powstały po 2005r. (Pretorius 2005) 7

8 Detektory LIGO 8

9 Interferometr LIGO Pre-stabilized Laser 200W, 1064 nm Active Seismic Isolation 40 kg Test Mass Mirror Input Optics Output Mode Cleaner 9 Auxiliary Laser

10 Advanced LIGO and Advanced Virgo 10

Detektor VIRGO 6 krajów UE 20 labs, ~250 autorów APC Paris

INFN Napoli INFN Perugia INFN Pisa INFN Roma La Sapienza

Paris LAPP Annecy LKB Paris LMA Lyon NIKHEF Amsterdam

11 Detektor VIRGO 6 krajów UE 20 labs, ~250 autorów APC Paris ARTEMIS Nice EGO Cascina INFN Firenze-Urbino INFN Genova INFN Napoli INFN Perugia INFN Pisa INFN Roma La Sapienza INFN Roma Tor Vergata INFN Trento-Padova LAL Orsay ESPCI Paris LAPP Annecy LKB Paris LMA Lyon NIKHEF Amsterdam POLGRAW(Poland) RADBOUD Uni. Nijmegen RMKI Budapest University of Valencia 11

12 Wykrywanie sygnałów w szymie Podstawowy lemat Neymana -Pearsona: Test, który maksymalizuje prawdopodobieostwo detekcji dla pewnego prawdopodobieostwa fałszywego alarmu to test oparty na ilorazie wiarygodności. J. Neyman & E. Pearson, Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. A, 231: ,1933 Iloraz N-P test: Compare Λ = p 1 (x)/p 0 (x) to a threshold wiarygodności Sygnał addytywny: Gaussowość: Stacjonarność: x(t) = n(t) + s(t) ln = (x s) ½ (s s) ( x s) 4 o ~ x ( f ) ~ * s ( S( f ) f ) df Filtr dopasowany Gęstość spektralna szumu 12

13 Sygnał-szum SNR 2 fisco 5/3 M c 1 ( s s) ~ 2 7 / 3 r f S( fc f df ) Advanced LIGO Initial LIGO 13

14 Jak wykryd sygnał fali grawitacyjnej w szumie detektora? Źródło: Układ podwójny Schowany w szumie detektora: Generuje sygnał FG: h Dopasowane wzorce wyciągają sygnał z szumu detektora: Ćwierk 14

Lokalizacja źródła Jaranowski & Krolak, Optimal solution to the inverse problem for the gravitational wave signal of a coalescing compact binary, Phys. Rev.

15 Lokalizacja źródła Jaranowski & Krolak, Optimal solution to the inverse problem for the gravitational wave signal of a coalescing compact binary, Phys. Rev. D, 49, , (1994) Wyznaczenie położenia źródła sygnału fali grawitacyjnej z czasów nadejścia sygnału w 3 detektorach. 15

16 Pierwsza bezposrednia detekcji fali grawitacyjnej GW Niezwykle czuły detektor Doskonałe modele wykrywalnych źródeł FG Wyrafinowane metody analizy danych, a i przyroda była dla nas łaskawa nie było gwarancji, że detektory LIGO wykryją fale grawitacyjne! 16

17 Dwa odkrycia 1. Po raz pierwszy zarejestrowano sygnał fali grawitacyjnej na Ziemi 2. Po raz pierwszy zaobserwowano zlanie się układu podwójnego czarnych dziur w jedną czarną dziurę Powstała czarna dziura jest zgodna z czarną dziurą Kerra, która jest rozwiązaniem równao Einsteina 17

18 Znaczenie odkrycia Teoria względności została zweryfikowana w najbardziej ekstremalnej sytuacji wokół horyzontu zdarzeo czarnej dziury i tam gdzie prędkości są bliskie prędkości światła. Nowa dziedzina astronomia fal grawitacyjnych została otwarta. 18

19 Pierwsza detekcja fali grawitacyjnej GW przez 3 detektory 19

Przekaż dane Dane LIGO Livingston GEO 600 Virgo LIGO-India KAGRA Analizuj

20 Swift: NASA E/PO, Sonoma State U., Aurore Simonnet Generating and Distributing Prompt Alerts LIGO Hanford Przekaż dane Dane LIGO Livingston GEO 600 Virgo LIGO-India KAGRA Analizuj dane, znajdź kandydatów, określ położenie na niebie Oceń szum Baza kandydat ów Wyślij do obserwatoriów Sprawdź Wybierz kandydatów 20

21 Wieloaspektowe obserwacje z falami grawitacyjnymi Zlanie gwiazd neutronowych Fale grawitacyjne Promieniowanie X i gamma Światło widzialne Fale radiowe Neutrina 21

22 1.74 seconds after gravitational waves: Gamma ray burst! 22

23 Lokalizacja źródła 23

24 Co zostało wykryte? Detektory LIGO i Virgo zarejestrowały sygnał fali grawitacyjnej pochodzący ze zlewania się dwóch gwiazd neutronowych Satelity Fermi i Integral uchwyciły towarzyszące temu zlaniu błyski gamma Obserwatoria optyczne zaobserwowały towarzyszącą zlaniu kilonovę 24

25 Proces zlania dwóch gwiazd neutronowych 25

26 Tablica okresowa pierwiastków Wytworzone w wyniku zlania się gwiazd neutronowych (kolor żółty) 26

27 Co to odkrycie oznacza? 1. Potwierdza raz jeszcze słusznośd ogólnej teorii względności 2. Potwierdza hipotezę, że źródłem krótkich błysków gamma są zlewające się układy podwójne, których przynajmniej jednym składnikiem jest gwiazda neutronowa Wkład prof. Bogdana Paczyoskiego: wysunął hipotezę, że krótkie błyski gamma powstają w wyniku zlania się gw. neutronowych, przewidział zjawisko kilonovej. 27

28 Wykryte sygnały fal grawitacyjnych 28

29 Lokalizacja źródeł 29

30 Masy czarnych dziur i gwiazd neutronowych 30

31 GW170817: Pierwsza obserwacja FG ze zlania się gwiazd neutronowych Najsilniejszy sygnał FG dotychczas! Potwierdzenie, że źródłem krótkich błysków gamma jest zlanie się gwiazd neutronowych Potwierdzenie, że prędkośd rozchodzenia fal grawitacyjnych jest równa prędkości światła Potwierdzenie pochodzenia pierwiastków ciężkich Pierwszy pomiar równania stanu gwiazd neutronowych Niezależny pomiar stałej Hubbla H o : 31

32 Nagroda Nobla z Fizyki w 2017r For decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves Ray Weiss Barry Barish Kip Thorne (doświadczalnik) (menedżer) (astrofizyk) 32

Nowe detektory Pulsary Chronometraż pulsarów milisekundowych

dziur 2034: Interferometr laserowy w przestrzeni

czarnych dziur, układu podwójne białych karłów ~2035: Teleskop

33 Nowe detektory Pulsary Chronometraż pulsarów milisekundowych Częstośd Hz Układy podwójne supermasywnych czarnych dziur 2034: Interferometr laserowy w przestrzeni kosmicznej(lisa) Częstośd Hz Zlanie supermasywnych czarnych dziur, układu podwójne białych karłów ~2035: Teleskop Einsteina w Europie Częstośd Hz O(10 5 ) układów podwójnych czarnych dziur na rok 33

34 Udział Polaków Zespół Polgraw-Virgo - 10 autorów publikacji Członkowie innych obserwatoriów - 32 autorów publikacji Pi of the Sky epessto PIERRE IPJ PAN AUGER COLLABORATION 34

Podobne dokumenty

Nowe przełomowe odkrycia w astronomii fal grawitacyjnych

Nowe przełomowe odkrycia w astronomii fal grawitacyjnych Andrzej Królak Lider zespołu Polgraw-Virgo 1 Co będzie na wykładzie? Fale grawitacyjne i teoria grawitacji Źródła fal grawitacyjnych Detektory fal