Epilog: A co gravitacnˇ ´ı vlny?utf.mff.cuni.cz/popularizace/prezentacePMF2015/... · 2015. 12....
Transcript of Epilog: A co gravitacnˇ ´ı vlny?utf.mff.cuni.cz/popularizace/prezentacePMF2015/... · 2015. 12....
-
Epilog:A co gravitačnı́ vlny?
Jiřı́ Podolský
Ústav teoretické fyzikyMatematicko-fyzikálnı́ fakultaUniverzita Karlova v Praze
PMF 2015 17. 12. 2015
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.1/27
-
gravitačnı́ vlny předpověděl Albert Einstein
Albert Einstein
11/1907: Bern – Praha – Curych – Berlı́n: 11/1915
4/1911 – 7/1912 – 3/1914
obecná relativita je Einsteinovou teoriı́ gravitace:
gravitace je deformace prostoro času
Einsteinovy rovnice gravitačnı́ho pole:
R
��
�
12
Rg
��
+� g
��
=
8�G
4
T
��
" "
metrika tenzor energie-hybnosti
geometrie hmota
� geometrie prostoročasu určena hmotným obsahem
� hmota se pohybuje v neeuklidovské geometrii
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.2/27
-
hlavnı́ aplikace obecné teorie relativity
� kosmologie: globálnı́ modely vesmı́ru
studium struktury a evoluce kosmu
� čern é dı́ry: relativistická astrofyzika
supernovy, akrečnı́ diskyobřı́ černé dı́ry v centrech galaxiı́gravitačnı́ čočky
� gravita čnı́ vlny: kosmologické i astrofyzikálnı́
rozvlněnı́ prostoročasové geometrievzniklé při explozı́ch, kolapsech a srážkách
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.3/27
-
gravitačnı́ vlny
periodické změny křivosti prostoročasu šı́řı́cı́ se rychlostı́ světla
Einstein (1916), řešenı́ linearizovaných rovnic: přı́čné vlny, 2 polarizace
vlnostroj Concentric Wave, Martin Smith, 2007 (Harley Gallery, Welbeck, Anglie)
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.4/27
-
Albert Einstein, předloženo 22. června 1916
Aproximativnı́ integrace rovnic gravitačnı́ho pole
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.5/27
-
vlnová rovnice pro slabé gravitačnı́ poruchy
dnešnı́ zápis:
g
��
= �
��
+ h
��
) pro ��
� h
��
�
12
�
��
h platı́ � ��
= �
16�G
4
T
��
jh
��
j � j�
��
j, ��
; �
= 0
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.6/27
-
retardovaný integrál a rovinné gravitačnı́ vlny
� šı́řenı́ rychlostı́ světla
� transverzalita
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.7/27
-
Einstein, 1918
shrnutı́ včetně diskuze vyzařovánı́ zdrojů a energie
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.8/27
-
Einstein, Vı́deň, přednáška 23. zářı́ 1913
O současném stavu problému gravitace
pouhý rok po Einsteinově odchodu z Prahy ...
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.9/27
-
zdroje gravitačnı́ch vln
každý zrychlený nesférický pohyb hmoty, zejména:
� kompaktnı́ dvojhv ězdy
� supernovy
� velký t řesk
gravitačnı́ vlny jsou nesmı́rně slabé: h =
�L
L
< 10
�22
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.10/27
-
pozorovánı́ PSR B1913+16: důkaz gravitačnı́ch vln
pulsar v těsném dvojném systému, sledovaný od roku 1974:
binárnı́ systém s PSR B1913+16 vyzařuje gravitačnı́ vlny
periastrumapoastrumcentrum
pulsar
1,387M
1,441M
T = 7; 751939 hod
e = 0; 617134
i = 47; 2
Æ
a = 1; 92 mil. km
min 0,7 mil. km
max 3,1 mil. km
obě neutronové hvězdy se spirálovitě přibližujı́ o 3,1 mm při každém oběhu
! zkracovánı́ T o 76 �s/rok, protože gravitačnı́ vlny odnášejı́ energii
pozorovánı́ zcela souhlası́ s předpovědı́ teorie relativity:
chyba menšı́ než 0,2% zdroj: Weisberg J. M. a Taylor J. H.,ASP Conf. Ser., 328 (2005) 25
Hulse a Taylor: Nobelova cena za fyziku, 1993
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.11/27
-
binárnı́ pulsary jsou relativistické laboratoře
systém dvou neutronových hvězd obı́hajı́cı́ch velmi blı́zko sebevýznamné testy obecné relativity v silných gravitačnı́ch polı́ch:
stáčenı́ dráhy: přibližovánı́ po spirále:PSR B1913+16 (1974) 4,2 Æ za rok 3,5 m za rokPSR J0737+3039 (2003) 16,9 Æ za rok 2,6 m za rok
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.12/27
-
dvojitý pulsar PSR J0737+3039
obě složky pozorujeme jako pulsary, navı́c docházı́ k zákrytům!
m
A
= 1; 337M
�
P
A
= 0; 023 s
m
B
= 1; 250M
�
P
B
= 2; 773 s
T = 2; 454 hod
e = 0; 087779
i = 88
Æ
a = 878 tis. km
zákryt 30 s když A procházı́ za B
) mapovánı́ magnetosféry
unikátnı́ relativistická laboratoř:
� stáčenı́ dráhy 16,9 Æ za rok
� přibližovánı́ po spirále 2,6 m za rok
� rudý posuv rotačnı́ periody 0,38 ms
� časové zpožděnı́ 90 �s
� geodetická precese rotačnı́ch os: perioda 75 let (A) a 71 let (B)
závěr: Einsteinově teorii můžeme zatı́m opravdu důvěřovat
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.13/27
-
rezonančnı́ detektory Josepha Webera
cı́l: přı́mo změřit vlnky křivosti generované vzdálenými vesmı́rnými objekty
� po roce 1960
� tunové hlinı́kové válce
� vibrace snı́mány piezoelektricky
(ultra)kryogennı́ potomci:
EXPLORER (CERN), ALLEGRO (Louisiana), NIOBE (Perth)
NAUTILUS (Frascati, Řı́m), AURIGA (Legnaro, Padova)
T < 0:1 K, SQUID
nevýhoda: naladěny jen na úzké rezonančnı́ frekvence (kolem 900 Hz)
Detekce a generovánı́ gravitačnı́ch vln
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.14/27
-
interferometrické detektory gravitačnı́ch vln
MARK 2 (Caltech, USA)
TAMA 300 (Tokyo, Japonsko) GEO 600 (Hannover, Německo)
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.15/27
-
LIGO a Virgo
interferometry kilometrových rozměrů
LIGO (Hanford, USA) Virgo (Pisa, Itálie)
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.16/27
-
celosvětová sı́ť detektorů gravitačnı́ch vln
dvě observatoře LIGO
—— > 2025?
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.17/27
-
detekce gravitačnı́ch vln: přı́běh s otevřeným koncem
citlivost detektorů stále roste, již je lepšı́ než 10�22 :
gravitačnı́ vlny přesto zatı́m detekovány nebyly ...
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.18/27
-
současný stav a výhledy
od r. 2002 uskutečnil LIGO, Virgo a dalšı́ detektory 6 cyklů vědeckých měřenı́ S1-S6
měřenı́ S5 (11/2005-9/2007) laser 10W, zrcadla 11 kg
# 2008: Enhanced LIGO laser 35W 2x citlivějšı́
měřenı́ S6 (7/2009-10/2010)
# 2015: Advanced LIGO laser 180W, zrcadla 40 kg 8x citlivějšı́
h � 10
�23
spolu s Advanced Virgo 165W, 42 kg
AdLIGO v Indii nebo Austrálii ?
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.19/27
-
vize třetı́ generace detektorů
kryogennı́ kilometrové safı́rové interferometry pod zemı́
� KAGRA (KAMioka GRAvitational wave detector, 3 km, h � 10�23) Japonsko
� ET (Einstein gravitational-wave Telescope, 10 km, h � 10�24) Evropa
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.20/27
-
evropský projekt ET po roce 2020
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.21/27
-
dalšı́ naděje: LISA v kosmickém prostoru
� obřı́ interferometr ESA a NASA
� 3 družice
� ve vrcholech trojúhelnı́ka
� strany 5 milionů km
� oběh kolem Slunce 1 AU
� za Zemı́ 20Æ
� sklon 60Æ
� bezsilová trajektorie
� testovacı́ tělesa: krychle 46 mm
14
Pt + 34
Au, 2 kg
� korekčnı́ trysky o tahu �N
� lasery 2 W
� Cassegrainovy teleskopy? 40 cm
� frekvenčnı́ rozsah 0,1 mHz–0,1 Hz
� 1,5 miliardy eur
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.22/27
-
mı́sto LISY bude evropská eLISA
v roce 2010 americká NASA od projektu LISA odstoupila
projekt se muselzcela předělat:
� jeden interferometr ESA
� 3 družice, ale jen 2 ramena
� ve vrcholech trojúhelnı́ka
� strany jen 1 milionů km
� oběh kolem Slunce 1 AU
� za Zemı́ 20Æ
� sklon 60Æ
� testovacı́ tělesa: krychle 46 mm
14
Pt + 34
Au, 2 kg
� korekčnı́ trysky o tahu �N
� lasery 2 W
� Cassegrainovy teleskopy? 20 cm
� frekvenčnı́ rozsah 0,1 mHz–1 Hz
� rok 2025 ?
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.23/27
-
LISA Pathfinder
technologický průkopnı́k ESA:Předvoj eLISY (2015)
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.24/27
-
start LISY Pathfinder: Kourou, dne 3.12. 2015
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.25/27
-
dráha LISY Pathfinder
� okolı́ libračnı́ho bodu L1
� 1,5 mil km od Země
� Lissajousova orbita
500�800 tisı́c km� ročnı́ mise
� pikometrová přesnost
držte palce ...
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.26/27
-
připojte se!
LIGO, VIRGO, LISA: detektory gravitačnı́ch vln – p.27/27
$,!!!$gravitav {c}n'{i } vlny pv {r}edpovv {e}dv {e}l Albert Einsteinhlavn'{i } aplikace obecn'e teorie relativitygravitav {c}n'{i } vlnyAlbert Einstein, pv {r}edlov {z}eno 22. v {c}ervna 1916vlnov'a rovnice pro slab'e gravitav {c}n'{i } poruchyretardovan'y integr'al a rovinn'e gravitav {c}n'{i } vlnyEinstein, 1918Einstein, V'{i }dev {n}, pv {r}edn'av {s}ka 23. z'av {r}'{i } 1913zdroje gravitav {c}n'{i }ch vlnpozorov'an'{i } PSR B1913+16: daccent 23ukaz gravitav {c}n'{i }ch vlnbin'arn'{i } pulsary jsou relativistick'e laboratov {r}edvojit'y pulsar PSR J0737+3039rezonanv {c}n'{i } detektory Josepha Weberainterferometrick'e detektory gravitav {c}n'{i }ch vlnLIGO a Virgocelosvv {e}tov'a s'{i }v {t} detektoraccent 23u gravitav {c}n'{i }ch vlndetekce gravitav {c}n'{i }ch vln: pv {r}'{i }bv {e}h s otevv {r}en'ym koncemsouv {c}asn'y stav a v'yhledyvize tv {r}et'{i } generace detektoraccent 23uevropsk'y projekt ET po roce 2020dalv {s}'{i } nadv {e}je: LISA v kosmick'em prostorum'{i }sto LISY bude evropsk'a eLISALISA Pathfinderstart LISY Pathfinder: Kourou, dne 3.12. 2015dr'aha LISY Pathfinderpv {r}ipojte se!