Гравитационные волны пойманы в четвертый раз: как помог новый детектор Advanced Virgo

Сегодня коллаборация LIGO & Virgo объявили (будет опубликована в PRL, статью можно почитать тут ^[1]) о новом детектировании гравитационных волн (GW170814). Первые три события (раз ^[2], два ^[3], три ^[4]) были зарегистрированы на двух детекторах LIGO в США. 1 августа к наблюдениям присоединился европейский детектор Advanced VIRGO ^[5], расположенный в Италии. А уже 14 августа гравитационные волны от слияния двух черных дыр были зарегистрированы всеми тремя детекторами.

Оценка расположения всех зарегистированных источников гравитационных волн. GW170814 определен с гораздо большей точностью за счет использования данных с трех детекторов.

О сигнале

Верхний ряд: соотношение сигнал-шум для трех детекторов LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo; средний ряд: изменение спектра сигнала со временем; нижний ряд: временной сигнал (цвет), отфильтрованный сигнал (серый) и наложенная модель ОТО (черный)

Как и в предыдущие три раза, источником сигнала были сливающиеся черные дыры масс 25 и 30 солнечной, на расстоянии около 1.5 миллиарда световых лет. В результате слияния образовалась черная дыра массой ~53 от солнечной, и ~2.7 солнечных массы преобразовалось в гравитационные волны. Соотношение сигнал-шум 18 дает вероятность ошибочного сигнала 1 в 27 тысяч лет. Сам сигнал хорошо соотносится с ОТО, никаких неожиданностей тут нет. Самым интересным является факт детектирования на трех детекторах, и дополнительные знания, которые мы можем из этого получить.

Все факты в табличке

Advanced Virgo

Европейский детектор расположен около Пизы, в Италии. Коллаборация Virgo объединяет ученых из Италии, Франции, Голландии, Польши и Венгрии. Сам детектор похож на Advanced LIGO, но с меньшей чувствительностью из-за нескольких факторов: он несколько короче — длина плеч интерферометра здесь 3км, а не 4, как в LIGO; подвесы зеркал сделаны из металла (меньше добротность и больше тепловые шумы); лазер менее мощный; системы контроля и фильтрации шумов на более ранней стадии воплощения.

В результате чувствительность на высоких частотах в несколько раз меньше LIGO, а сам детектор довольно шумный. На спектре хорошо виден неотфильтрованный шум сети питания на 50Гц, а также пики от разных контрольных сигналов.

Спектральная плотность шумов детекторов (с отфильтрованными известными шумами). Чем ниже шум, тем выше чувствительность детектора.

Как третий детектор помогает в детектировании?

Малая чувствительность Virgo с трудом позволяет распознать сигнал в шуме (как видно на второй картинке в статье), и без LIGO этот сигнал не был бы признан достаточно достоверным. Однако в комбинации с двумя детекторами LIGO он позволяет триангулировать местоположение источника с гораздо большей точностью.

Регион расположения источника сигнала на небе: желтый — только LIGO, зеленый — LIGO и Virgo вместе, фиолетовый — баесовская оценка расположения с учетом всех параметров модели на основе LIGO и Virgo. Справа: оценка дальности источника.

Кроме того, третий детектор, расположенный в другой плоскости, позволяет сделать оценки на поляризацию ГВ. В ОТО гравитационные волны растягивают и сжимают пространство перпендикулярно направлению своего распространения, и существует две поляризации (х и +)

Picture by Tom Dunne

Когда ГВ прибывает на детектор строго перпендикулярно плоскости интерферометра и ориентация плечей совпадает с поляризацией, амплитуда сигнала достигает максимума. Если, например, x поляризованная волна прибывает на детектор, повернутый на 45 градусов относительно нее, оба плеча растягиваются одинаковым образом, и интерференционная картина на выходе не меняется, то есть, сигнала не будет. Если же есть два детектора, находящихся в разных плоскостях, как LIGO и Virgo, амплитуда сигнала будет отличаться не только за счет наклона относительно направления распространения, но и за счет разной ориентации детектора по отношению к поляризации. Это позволяет оценить поляризацию ГВ. Оба детектора LIGO находятся практически в одной плоскости, и близкой ориентации, но Virgo расположен под большим углом, что значительно улучшает оценки.

Интересный момент тут следущий: метрические теории гравитации (а ОТО только один из них) позволяют не только тензорную (как в ОТО), но и векторную и скалярную поляризацию. Возможность измерения поляризации позволяет проверить, действительно ли мы измеряем тензорную поляризацию. Для этого те же расчеты для слияния, как в случае ОТО, производятся в предположении скалярной или векторной поляризации, и результат сравнивается с реальным сигналом. В результате ОТО оказывается более вероятной моделью, нежели чисто скалярно или чисто векторная.

Что дальше?

Второй цикл наблюдений закончен, а ученые обрабатывают полученные данные. Детекторы находятся на обслуживании, и следующий научный цикл начнется где-то через год. За это время будет увеличена мощность лазеров, уменьшены потери на рассеяние света и, возможно, добавлен сжатый свет ^[6].

Stay tuned!

Дополнения

1. Красивая симуляция слияния ЧД
2. Красивая картинка неба с источниками ГВ

   
3. Интерактивная карта неба ^[7] с источниками
4. В прошлой статье и обсуждениях к ней я был неаккуратен в том, как детектирование грав. волн может помочь оценить скорость их распространения.
   Подробности

   В частности, я говорил, что использование двух детекторов при «триангуляции» может дать хорошую оценку на эту скорость.
   Это неправда, если оценивать скорость просто по задержке сигнала между двумя детекторами, можно только ограничить эту скорость. Направление распространения с помощью двух детекторов определить достаточно сложно, и даже используя данные от всех детектирований, но и учитывая все неопределенности, оценку можно дать с точностью 50%. Даже три детектора дают достаточно невысокую точность, в пределах процентов. Тут можно почитать подробнее. ^[8]
   Оценка, которую я давал, исходит из оценки на дисперсию грав. волн, в предположении справедливости ОТО. То есть, детектирование позволяет сказать с очень большой точностью, что дисперсии ГВ нет, а потому, в соответствии с ОТО, их скорость равна скорости света.
   Спасибо Serge3leo ^[9] за поправки.

Автор: Михаил Коробко

Источник ^[10]