Gravitációs hullámok. Vasúth Mátyás. Wigner FK, RMI MTA,

Gravitációs hullámok Vasúth Mátyás

Wigner FK, RMI MTA, 2015.05.11

Bevezetés  Gravitációs hullámok

 A hullámok mérése, kísérletek

 LIGO-Virgo kollaboráió  Az Einstein-teleszkóp  Gravitációshullám-csillagászat

Gravitációs hullámok  Általános relativitáselmélet, a téridő görbültségét leíró Einstein-tenzort összekapcsolja az anyag mozgását megjelenítő energia-impulzus tenzorral

 Gravitációs hullámok, a gravitációs hatás fénysebességgel tovaterjedő változásai, a téridő fodrozódásai

 Lineáris közelítés, a forrástól távol a hullámok a téridő geometriájának perturbációiként írhatók le

Gravitációs hullámok  Valóban léteznek?  PSR 1913+16: neutroncsillagokból álló kettős  1974, az első pulzár kettős rendszerben    

T = 7,75 óra a = 1,95·106 km vmax = 1,5·10-3 km/s d = 6,4 kpc

 A relativitáselmélet szerint a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, a keringési idő csökken. A megfigyelések ezt 0,2% pontossággal igazolták

 Fizikai Nobel-díj 1993

Gravitációs hullámok  Mértékrögzítés, kétféle polarizációs állapot



Az árapályerők által okozott relatív hosszváltozások megfigyelése

Rezonáns detektorok  Megfigyelések a 60-as évek végétől  Tömeg: 1100 – 2300 kg  h ~ 10-21, 1 kHz

 Fejlesztés: egymásba ágyazott rezonáló testek

 h ~ 10-23, 2-6 kHz

LIGO

Hanford, WA

Karhossz:

4 km - Tudományos mérések 2002 – 2010 - L1 detektor beüzemelése: 2014 május - 25 → 40 kg tükör , 10 → 200 W lézer - Felkészülés a megfigyelésekre, O1 2015 ősz

Livingston, LA

Advanced LIGO - A rendszer teljes újratervezése $205M NSF, $30M UK, Ausztrália, Németország

- Power and signal recycling

- Aktív szeizmikus izoláció - Automatic locking system - Tükrök borítása: LMA abszorpció: 0.3 – 0.5 ppm szóródás: 5 – 14 ppm

- L1: 99.7 %, 7.5h lock H1: 97%, 2h lock - 3. aLIGO, ami eredetileg Hanfordba készült Indiába települhet

- Probléma: elektrosztatikus feltöltődés

VIRGO Karhossz:

3 km

- Tudományos mérések 2004 – 2011 - 6800 m3, 10-10 mbar vákuum - 20 kHz-es mintavételezési frekvencia, analízis 4/16 kHz -en, 200 TB/detektor adat évenként - Szeizmikus izoláció (superattenuator) 10-9 - 10-13 csillapítás (4 – 200 Hz)

- Felújítás: 2015 őszig, első tudományos mérések: 2016, O2

Karhossz:

3 km

- A MEXT támogatásával $156M + további $8M kérelem

- Az első földalatti IFO, alacsony hőm. - 2 szint, fejlett szeizmikus izoláció - iKagra: 2010.10 – 2015.12, szobahőm. bKagra: 2016-17, recycling - Tükrök: zafír, borítás: LMA - járatok: 2014.03, vákuumcsövek: 2015.03 - vákuumkamrák: 8K és 80K rétegek két kriosztát beüzemelve

A hullámok forrásai Frekvencia

- Szupernóva robbanás - Forgó neutroncsillagok

1Khz 1 ... 10Khz

- Sztochasztikus források - Összeolvadó kettős rendszerek

200Hz ... 2Khz

A kompakt kettősök, mint a gravitációs hullám obszervatóriumok jelentős forrásai, jól meghatározott hullámformával jellemezhetők fejlődésük korai és késői szakaszában (perturbatív leírás)

LV kollaboráció 

A gravitációs hullámdetektorok egy világméretű hálózataként a LIGO és Virgo detektorok együttműködésük keretében megosztják pl. a mérési adatokat, a feldolgozó eljárásokat és számítási erőforrásokat



Koincidencia-mérések, hamis jelek kiszűrése



Pontos helymeghatározás

Adatgyűjtés  h(t) meghatározása (online): az interferenciakép változása, a tükrökre ható erő mérése  Környezeti érzékelők, a vezérlő rendszer érzékelői  20 kHz-es mintavételezés (8 byte float), majd az adatok továbbítása (IN2P3, CNAF)

Adatelemzés – hitelesített algoritmusok

 hullámforma-jóslatok generálása (néhány % eltérés, paramétertér nagy lehet)

 matched filtering  azonos események összegyűjtése

 χ2 teszt és további jel alapú szűrés  többszörös egybeesés esetén további vizsgálatok, ellenőrzés, …

Tervezett fejlesztések

S.Hild 2012 CQG 29 124006

3. gen. GH detektor  1 nagyságrenddel nagyobb érzékenység 1000x-es eseményszám

 Föld alatt alagút belső átmérője 5.5m, vastagság: 0.5m

 Karhosszúság: 10 km  Új geometria  MW-os lézer  200 kg-os tükrök

www.et-gw.eu

A helyszín kiválasztása

3. gen. GH detektor - Ütemterv  A kezdési időpont több változó függvénye  A megvalósítási tervek elkészülése  A GH-ok első közvetlen megfigyelése, 2016-17  Hivatalos döntési mechanizmusok

 Helyszín kiválasztása 2018-19  Helyszín kiépítése 2021-ig  Az első detektor megépítése 2026-ig  Mérések a tervek szerint 50 éven keresztül  Fontos frekvenciatartomány: 0.1

1

mikroszeizmikus zaj

helyi időjárás

10

Hz

emberi tevékenység

Cél  A hullámok közvetlen megfigyelése, majd elemzése

 A világegyetemről alkotott képünk a csillagászati/EM megfigyeléseken nyugszik  Dinamikai folyamatok, nagy sűrűségű területek megfigyelése  Sötét anyag, sötét energia  Az Univerzum korai állapota

GH ?

Gravitációshullám-csillagászat

Wigner Virgo csoport

virgo.rmki.kfki.hu