Susu seminar summer_2012
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Like this? Share it with your network

Share

Susu seminar summer_2012

on

  • 365 views

 

Statistics

Views

Total Views
365
Views on SlideShare
325
Embed Views
40

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

1 Embed 40

http://physics.susu.ac.ru 40

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Susu seminar summer_2012 Presentation Transcript

  • 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: Инвариантностьотносительно преобразований Лоренца - Принцип эквивалентности: Физические эффектыгравитации универсальны - не зависят от структурыматерии• 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. Its 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 светалазер 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, GermanyLIGO – 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 gridLIGO 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 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2011UWM - 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 systemCollaboration. Летняя школа, ЮУрГУ, 2012 18http://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