Perspektywy detekcji fal grawitacyjnych Tomasz Bulik

Astronomia fal elektromagnetycznych

Fale grawitacyjne ● Historia: – Ogólna Teoria Względności – Rozwiązanie w postaci fali – Czy jest to prawdziwe rozwiązanie czy też nie? – Czy fale unoszą energię?

Co może być źródłem fal grawitacyjnych? ● Ładunki elektryczne ● Przyspieszenia ● Odziaływania elektromagnetyczne są znaczące ● Wystarczy nieznaczny ładunek ● Masy ● Przyspieszenia ● Oddziaływania grawitacyjne są bardzo słabe ● Potrzebne duże masy ● i duże prędkości

Odkrycie pulsara podwójnego ● Co to jest pulsar? ● Jak mierzymy jego ruch? ● Nagroda Nobla 1993 ● R. Hulse, J. Taylor

Pulsar podwójny John Rowe Animation/Australia Telescope National Facility, CSIRO

Orbita pulsara zacieśnia się zgodnie z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności. Doświadczalne pośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych!

Jak wykrywać fale grawitacyjne ● Oddziaływanie fal z materią ● Zespół punktów materialnych

Wykrywanie fal czyli jak zbudować detektor ● Detektor rezonansowy ● Dzwon uderzony przez fale ● Obserowalne wzbudzenie drgań

Fala grawitacyjne prostopadła do ekranu

Detektory rezonansowe

Interferometr ● Co to jest ● Jak to działa ● Dokładność

laser detektor Brak fali Nie ma sygnału

laser detektor Fala grawitacyjna! Pojawia się sygnał!

laser detektor Fala grawitacyjna! Pojawia się sygnał!

Interferometry - HF

Sieć interferometrów LIGO H LIGO L VIRGO GEO60 0 TAMA30 0 LCGT AIG O

Czułość i szum detektora Dźwięk - szum

Możemy usłyszeć szum detektora i falę grawitacyjną!

Czego szukamy ● Obiekty znane ● Obiekty nieznane – ale sądzimy, że istnieją ● Obiekty całkiem nieznane Amplituda fali ~ druga pochodna momentu kwardupolowego Potrzebne obiekty masywne, asymetryczne i relatywistyczne

To co znamy - pulsary ● Jakie sygnały? – Sygnał okresowy z częstotliwością dwa razy większa niż częstość obrotu obsrwowana radiowo – Zródło fal – góry na gwiazdach neutronowych Dzwięk - KRAB

Co wiemy ● Nie wykryliśmy fal grawitacyjnych ● Ale wiemy, że góry na gwiazdach neutronowych są niższe niż 0,1mm! ● Gwiazdy neutronowe to najbardziej okrągłe obiekty we Wszechświecie!

Obekty znane - supernowe ● Zapadanie się gwiazdy ● Powstaje gwiazda neutronowa lub czarna dziura ● Błysk fal grawitacyjnych ● Dzwięk - 2SN

To co znamy – układy podwójne ● Jak będzie wyglądało ostatnie 30 sekund?

Jak brzmi sygnał? ● Czarna dziura 20M sun i gwiazda neutronowa 1.4 msun ● Tylko inspiral.

Rezzola, et al.

Jak to wygląda Dzwięk - 2NS Rezzola et al.

Ocena ilości układów ● Obserwacje, modelowanie, interpolacja ● Modelowanie populacji od '0' ● Odniesienie do innych istniejących obiektów

Układy podwójne czarnych dziur ● Czy istnieją? – Tak – znamy masywne układy podwójne BHBH ● Te o masach gwiazdowych wykrywalne tylko pośrednio: – Mikrosoczewkowanie – Obserwacja obiektów które utworzą takie układy – I przez emisje fal graitacyjnych w czasie koalescencji

IC10 X-1 i NGC300 X-1 ● Dwa układy rentgenowskie ● Oba utworzą wkrótce uklady BHBH ● Swiadczą o bardzo dużej ilości układów BHBH ● Powinniśmy je ● wkrótce wykryć!

Dwie czarne dziury ● Czestość sygnału zależy od masy ● Wyższe masy niższa częstość ● Sygnał słyszalny krócej ● Możliwość detekcji w ostatniej fazie Dzwięk - 2BH

LIGO i VIRGO - dziś ● LIGO -zebrało ponad dwa lata danych ● VIRGO – ponad rok ● Poprawki detektora ● Osiągnięty zasięg dla NSNS: LIGO – do 30Mpc, dla VIRGO do 9 Mpc ● Wspólna analiza danych, publikacja w ciagu roku ● Perpektywa zwiększenia czułości: Advanced VIRGO/LIGO

Rozwój – Advanced LIGO/VIRGO

Udział Polski ● Grupa POLGRAW: – Uniwersytet Warszawski – Uniwersytet Białostocki – Uniwersytet Zielonogórski – Instytut Matematyki PAN – Centrum Astronomiczne PAN – Instytut Problemów Jądrowych PAN ● Kontrybucje – Analiza danych – Budowa części detektora VIRGO

Pulsary jako detektory ● Obserwacje pulsarów na całym niebie ● Dokładne zegary ● Pomiar zaburzeń ruchu Ziemi z dokładnością 50cm ● Wykrywanie fal o okresie około roku ● Masywne czarne dziury ● PPTA i EPTA

Detektory wahadłowe ● Wahadło torsyjne ● Częstotliwości koło 1Hz ● Faza rozwoju technologii

Teleskop Einsteina ?

Eksperymenty satelitarne LISA: Trzy satelity w odległości 5 mln km. Obita wokół słoneczna. Kiedy: 2022? DECIGO, BBO

Astronomia fal grawitacyjnych ● Świat którego nie sposób zobaczyć ● Przegląd czarnych dziur we Wszechświecie ● Początki Wszechświata ● Powstawanie czarnych dziur ● Gdzie są granice Ogólnej Teorii Względności?