1. Гравитационные Волны - Темная Сторона
Вселенной
Руслан Ваулин,
Массачусетский Технологический Институт
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
1

2. Введение
• Теория гравитационных волн
• Астрофизические источники гравитационного излучения
• Детекторы гравитационного излучения: LIGO, Virgo, LISA ...
• Анализ данных
• Будущее Гравитационной Астрономии
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
2

3. Нерелятивисткая теория гравитации Ньютона
= − GM m
F r
r 3
GM
=− 3
a r
r
• Ускорение (траектория движения) объектов не зависит от их массы и
композиции.
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
3

4. Релятивисткая теория гравитации
• Основные постулаты:
- Релятивистская теория: Инвариантность
относительно преобразований Лоренца
- Принцип эквивалентности: Физические эффекты
гравитации универсальны - не зависят от структуры
материи
• Общая теория относительности - теория
динамического пространства-времени!
• Основной динамический обьект - метрика gµν ds2 = gµν dxµ dxν
8πG
• Уравнения движения: Gµν = 4 Tµν
c
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
4

5. Гравитационные волны
• Помимо гравитационного потенциала, уравнения Эйнштейна допускают
волновые решения
• В пределе слабых гравитационных полей, вакуумные уравнения
Эйнштейна принимают вид волнового уравнения
∂ 2 hµν
hµν ≡ − 2 + ∇hµν = 0
c2 ∂t
moving Gravitational
moving EM waves: light,
mass Waves
charge microwaves, radio
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
5

6. Качественное обьяснение природы гравитационных
волн
• Obi-Wan: “The Force is what gives a Jedi his power. It's
an energy field created by all living things. It
surrounds us and penetrates us. It binds the galaxy
together.”
• Obi-Wan: “I felt a great disturbance in the Force, as if
millions of voices suddenly cried out in terror and
were suddenly silenced. I fear something terrible has
happened.”
• Gravitational waves are propagating disturbances of
the gravitational field (force).
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
6

7. Источники гравитационного излучения
• Амплитуда гравитационных волн G
≈ 10−42
пропорциональна
c4
• Для генерации гравитационного излучения
необходимы массивные обьекты двигающиеся со
скоростями близкими к скорости света
• Астрофизические обьекты: бинарные нейтронные
звезды/черные дыры, пульсары, сверхновые и т.д.
• Космологический гравитационный фон
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
7

8. Нейтронные звезды
• Продукт коллапса звезд в конце цикла под
воздействием гравитации (сверхновые)
• Ультра плотные обьекты (плотность атомного
ядра) состоящии из нейтронов.
• Масса 1- 3 солнечных масс
• Диаметр 20 км
• Обнаружены как радио пульсары, X-ray
бинарные системы и остатки сверхновой.
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
8

9. Черные дыры
• Если масса коллапсирующей звезды превышает 3
солнечных массы, вместо нейтронной звезды
образуется “черная дыра”.
• Даже электромагнитное излучение не может
преодолеть гравитационного притяжения
• Диаметр 3 М/Мсолнца км
• Кандидаты черных дыр: супер массивные дыры в
центре большинства галактик и 3-30 солнечных
масс в X-ray бинарных системах.
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
9

10. Двойные нейтронные звезда/черные дыры
• Большинство звезд существуют в вдойных
системах
• Двойные нейтронные звезды/черные дыры
должны существовать в достаточном количестве
• Орбитальное движение масс генерирует
гравитационное излучение, поэтому постепенно
обьекты в двойных системах будут сближатся
теряя энергию.
• В конечном итоге, обьекты будут двигатся по
спирали и столкнутся, выбрасывая в последней
стадии примерно 1% энергии (массы) в виде
гравитационного излучения
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
10

11. Симуляция столкновения двойных нейтронных звезд
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
11

12. Гравитационая астрономия
• Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн
посредством их прямого измерения будет одним из самых важных тестов общей
теории относительности (динамических степеней свободы гравитационного поля)!
• ОТО экспериментально подтверждена только в режиме слабых полей и
нерелятивистких скоростей. Измеряя форму гравитационного сигнала мы сможем
протестировать ОТО в режиме сильных полей и релятивистких скоростей.
• Нейтронные зведы и черные дыры почти не излучают электромагнитные волны.
Это затрудняет их изучение с помощью обычных телескопов.
• Измерение гравитационного излучения позволит получить уникальную
информацию о физических свойствах этих экстримальных астрофизических
обьектов.
• Дополнительные наблюдения оптическими/X-ray/радио телескопами предоставит
полную картину физических процессов (выбросы гамма излучения,
взаимодействие с окружением и т.д.)
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
12

13. Измерение гравитационных волн
Интерферометр
L δL 8πG ¨
зеркало + =h≈ 4 I
L c r
GW direction
зеркало Изменение Интенсивности света
лазер
измеряемого фотодиодом определяется
r амплитудой гравитационной волны
litte
be am sp
фотодиод Измерения несколькими детекторами
снизят погрешности и позволят засекать
более слабые сигналы (увеличат
дальность)
read-out
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
13

14. LIGO: лазерная обсерватория-интерферометр
гравитационных волн
LIGO – Hanford, WA
GEO600, Hanover, Germany
LIGO – Livingston, LA Virgo, Pisa, Italy
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
14

15. Характеристики детекторов в начальной конфигурации
250
H1
L1
Inspiral Horizon Distance (Mpc)
200 V1 S6 L1
H2
S6 H1
150 S5 L1
S5 H1
100 VSR2
S5 H2
50 VSR3
VSR1
0
0 5 10 15 20 25
Total Mass (Mʘ)
FIG. 2: Inspiral horizon distance versus total mass from
S5/VSR1 (gray lines) and S6/VSR2/VSR3 (colored lines
The horizon distance is the distance at which an optimally lo
cated and oriented binary would produce an expected signa
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
to-noise ratio of 8. The figure shows the best sensitivit
15
achieved by each detector during the runs.

16. Форма гравитационного сигнала от двойных систем
• Три основные фазы
• Спиральная фаза: пост-Ньютоновские методы
• Слияние: Численные методы
• Затухание: Методы теории возмущений
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
16

17. Анализ данных
• Поиск редкого, слабого сигнала в шуме.
• Необходимы оптимальные статистические методы анализа данных.
• Шум детекторов помимо Гауссового фона включает различные случайные
инструментальные помехи (артифакты) являющиеся следствием окружающей
среды (землятресения, самолеты ...) и сбоев в электронных подсистемах.
• Анализ требует использования комьютерных кластеров (на данные момент LIGO
computing grid состоит из 6 кластеров, порядка 15000 машин).
• Многомодульный пакет программ (C, python, sql, matlab) - lalsuite
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
17

18. LIGO computing grid
LIGO Data Grid Information Services 8/17/12 4:24 AM
LSCGIS - Grid Information Services
Site 17-Aug- Grid Network related services Condor Job_Queues Condor_Slots Status Special Services
2012
Server Server Server
08h13m Condor LDR GridFTP GRAM userSpace NFS Web Glideins Running Idle Held Total Owned Claimed Unclaimed Matched Preempted Backfill Total GraCEDB LARS LVAlert
UTC
AEI - 0h12m - - - - 6031 20587 1425 28043 0 5874 1595 87 2 0 7558 NDS2 (CIT) NDS2 (LHO) NDS2 (LLO)
CIT - 0h4m - - - 1128 85 47 1260 0 2438 2 0 0 0 2440 SegDB.S6 (CIT) SegDB (GEO) SegDB.S5 (SYR)
LHO - 0h13m - - - - 271 1806 5 2082 0 1370 0 0 0 0 1370 LDR-ARCCA LDR-Birmingham LDR-Bologna
LDR-Casina LDR-UTB
LLO - 0h15m - - - - 1536 2236 29 3801 0 1954 13 0 1 0 1968
SYR - 0h3m - - - - 2010 5508 208 7726 0 1952 155 2 0 58 2167
Dec-16-
MIT - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
2011
UWM - 0h10m - - - 3882 628 102 4612 0 4222 100 0 19 0 4341
DATA Monitors LSCGIS MAP Global LDG Usage Available DATA LDR CIT LHO LLO SYR HAN UWM
General
Special Services
Tier 1 Data Replication
LDAS RDS Monitors
Support / Help
GWIstat - Aug 17, 08:14 UTC HH:MM Help
GEO 600 Science 1:08 SummaryReports
H1 Http error LockHistory RangeHistory
LIGO
L1 Http error LockHistory RangeHistory
Virgo Not locked 6768:02 GeneralStatus Operations
Map data ©2012 Google, INEGI, Tele Atlas -
Disclaimer: all Copyrights respected; this web site provides management information for LIGO/VIRGO Scientific Alerts, Comments Bug Reports to UWM-RT system
Collaboration.
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
18
http://lscgis.phys.uwm.edu/lsc-gis.html Page 1 of 2

19. Матч-Фильтр - первый шаг в анализе
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
19

20. Прошлое, настоящее и будущее LIGO
• Детекторы в начальной кофигурации были построены в период 1997 - 2001
• С 2001 - 2010 детекторы эвалюционировали постепенно улучшая чувствительность
• За это время было 6 периодов научных наблюдений (общей продолжительностью
3 лет)
• Несмотря на отсутствие гравитационных сигналов, в этот подготовительный период
были разработаны/протестированы необходимые технологии и методы анализа
данных.
• 2010 - 2014 период демонтации детекторов начальной конфигурации и постройки
детекторов усиленной кофигурации: 10 х Чувствительность = 1000 х Число сигналов
• 2014 - 2015 первые научные наблюдения
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
20

21. Количество ожидаемых сигналов
• Оценки количества ожидаемых сигналов для первого поколения детекторов имеют
силный разброс
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
21

22. Горизонт усиленного LIGO
Летняя школа, ЮУрГУ, 2012
22