GEO600 - GEO600

GEO600
2015 GEO 600.jpg
Местоположение (а)Sarstedt, Hildesheim, Нижняя Саксония, Германия
Координаты52 ° 14′49 ″ с.ш. 9 ° 48′30 ″ в.д. / 52,2469 ° с. Ш. 9,8083 ° в. / 52.2469; 9.8083Координаты: 52 ° 14′49 ″ с.ш. 9 ° 48′30 ″ в.д. / 52,2469 ° с. Ш. 9,8083 ° в. / 52.2469; 9.8083 Отредактируйте это в Викиданных
ОрганизацияLIGO Scientific Collaboration  Отредактируйте это в Викиданных
Длина волны43 км (7,0 кГц) -10 000 км (30 Гц)
ПостроенСентябрь 1995 г.Отредактируйте это в Викиданных– (Сентябрь 1995 г.Отредактируйте это в Викиданных–) Отредактируйте это в Викиданных
Стиль телескопагравитационно-волновая обсерватория
Интерферометр Майкельсона  Отредактируйте это в Викиданных
Диаметр600 м (1968 футов 6 дюймов) Отредактируйте это в Викиданных
Интернет сайтwww.geo600.org Отредактируйте это в Викиданных
GEO600 находится в Германии.
GEO600
Расположение GEO600
Страница общин Связанные СМИ на Викискладе?
[редактировать в Викиданных ]

GEO600 это детектор гравитационных волн расположен рядом Sarstedt на юге Ганновер, Германия. Он разработан и эксплуатируется учеными из Институт Макса Планка гравитационной физики, Институт квантовой оптики Макса Планка и Leibniz Universität Hannover, вместе с Университет Глазго, Бирмингемский университет и Кардиффский университет в Соединенном Королевстве и финансируется Общество Макса Планка и Совет по науке и технологиям (STFC). GEO600 является частью всемирной сети детекторов гравитационных волн.[1] Этот прибор и его родственные интерферометрические детекторы, когда они работают, являются одними из самых чувствительных детекторов гравитационных волн из когда-либо созданных. Они предназначены для обнаружения относительных изменений расстояния порядка 10−21, размером с один атом по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли. GEO600 способен обнаруживать гравитационные волны в диапазоне частот 50 Гц до 1,5 кГц.[2] Строительство объекта началось в 1995 году.[3]

История

В 1970-х годах две группы в Европе, одна во главе с Хайнц Биллинг в Германии и один во главе с Рональд Древер в Великобритании,[4] инициировал исследования по лазерно-интерферометрической регистрации гравитационных волн. В 1975 г. Институт астрофизики Макса Планка в Мюнхене начали с прототипа с длиной руки 3 м, который позже (1983 г.) в Институте квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге привел к созданию прототипа с длиной руки 30 м. В 1977 году факультет физики и астрономии Университета Глазго начал аналогичные исследования, а в 1980 году начал эксплуатацию 10-метрового прототипа.[5][6]

В 1985 году группа Гархинга предложила построить большой детектор с длиной руки 3 км (2 мили), британская группа - аналогичный проект в 1986 году. Обе группы объединили свои усилия в 1989 году - родился проект GEO с Harz горы (Северная Германия) считаются идеальным местом. Однако проект не получил финансирования из-за финансовых проблем. Так, в 1994 г. был предложен детектор меньшего размера: GEO600, который будет построен в низинах недалеко от Ганновера, с рукавами длиной 600 м. Строительство этого британо-немецкого детектора гравитационных волн началось в сентябре 1995 года.[6][7]

В 2001 году Институт гравитационной физики Макса Планка (Albert Einstein Institute, AEI) в Потсдаме взял на себя ганноверский филиал MPQ, а с 2002 года детектором управляет совместный Центр гравитационной физики AEI и Ганноверского университета имени Лейбница университеты Глазго и Кардиффа. С 2002 г. GEO600 участвовал в нескольких сериях данных по совпадению с детекторами LIGO.[6] В 2006 году GEO600 достиг проектной чувствительности, но до сих пор сигнал не обнаружен. Следующая цель - снизить остаточный шум еще примерно в 10 раз до 2016 года.[8][9]

Аппаратное обеспечение

GEO600 - это Интерферометр Майкельсона. Он состоит из двух плеч длиной 600 метров, через которые лазерный луч проходит дважды, так что эффективная длина оптического плеча составляет 1200 метров. Основные оптические компоненты расположены в системе сверхвысокого вакуума. Давление находится в пределах 10−8 мбар.[2]

Подвески и сейсмоизоляция

Для точных измерений оптика должна быть изолирована от колебаний земли и других воздействий окружающей среды. По этой причине все наземные детекторы интерферометрических гравитационных волн подвешивают свои зеркала в виде многоступенчатых маятников. Для частот выше резонансной частоты маятника маятники обеспечивают хорошую изоляцию от вибраций. Вся основная оптика GEO600 подвешена в виде тройных маятников, чтобы изолировать зеркала от вибраций в горизонтальной плоскости. Верхняя и промежуточная массы подвешены на консольных пружинах, которые обеспечивают изоляцию от вертикального перемещения. На самой верхней части находятся шесть приводов с катушками-магнитами, которые используются для активного гашения маятников.[10]Кроме того, вся клетка подвески установлена ​​на пьезокристаллах. Кристаллы используются для «активной системы сейсмической изоляции». Он перемещает всю подвеску в направлении, противоположном движению земли, так что движение земли отменяется.[11]

Оптика

Основные зеркала GEO600 представляют собой цилиндры из плавленого кварца диаметром 18 см и высотой 10 см. Светоделитель (с размерами диаметра 26 см и толщиной 8 см) является единственным пропускающим элементом оптики на пути высокой мощности. , поэтому он был изготовлен из плавленого кварца особого сорта. Его абсорбция составляет менее 0,25 частей на миллион / см.[12]

Передовой

GEO600 использует множество передовых технологий и оборудования, которые планируется использовать в следующем поколении наземных детекторов гравитационных волн:

  • Монолитные подвесы: зеркала подвешены как маятники. В то время как для вторичных зеркал используется стальная проволока, главные зеркала GEO подвешены на так называемых «монолитных» подвесках. Это означает, что провода сделаны из того же материала, что и зеркало: плавленый кварц. Причина в том, что у плавленого кварца меньше механических потерь, а потери приводят к шуму.[13]
  • Электростатические приводы: необходимы приводы, чтобы удерживать зеркала на своем месте и выравнивать их. Для этого на вторичные зеркала GEO600 наклеены магниты. Затем их можно перемещать катушками. Поскольку приклеивание магнитов к зеркалам увеличивает механические потери, в основных зеркалах GEO600 используются электростатические приводы (ESD). ЭСР представляют собой гребенчатую структуру электродов на задней стороне зеркала. Если к электродам приложить напряжение, они создают неоднородное электрическое поле. Зеркало почувствует силу в этом поле.
  • Система срабатывания теплового зеркала: У дальнего восточного зеркала находится система обогревателей. При нагревании в зеркале появится тепловой градиент, а радиус кривизны зеркала изменится из-за теплового расширения. Нагреватели позволяют осуществлять тепловую настройку радиуса кривизны зеркала.[14]
  • Повторное использование сигнала: дополнительное зеркало на выходе интерферометра образует резонансную полость вместе с торцевыми зеркалами и, таким образом, увеличивает потенциальный сигнал.
  • Обнаружение гомодинности (также называется «считывание постоянного тока») [15]
  • Очиститель выходного режима (OMC): дополнительный резонатор на выходе интерферометра перед фотодиодом. Его цель - отфильтровать свет, который потенциально не несет сигнал гравитационной волны.[16]
  • Выдавливание: Сжатый вакуум вводится в темный порт светоделителя. Использование сжатия может улучшить чувствительность GEO600 выше 700 Гц в 1,5 раза.[17]

Еще одно отличие от других проектов заключается в том, что GEO600 не имеет полостей для рук.

Чувствительность и измерения

Чувствительность к деформации гравитационной волны обычно измеряется амплитудной спектральной плотностью (ASD). Пиковая чувствительность GEO600 в этом блоке составляет 2 × 10−22 1/√Гц при 600 Гц.[18] На высоких частотах чувствительность ограничена доступной мощностью лазера. В области низких частот чувствительность GEO600 ограничена сейсмическими колебаниями грунта.

Совместный научный забег с LIGO

В ноябре 2005 г. было объявлено, что LIGO и GEO tools начали расширенное совместное научный бег.[19] Три инструмента (инструменты LIGO расположены рядом с Ливингстон, Луизиана и на Хэнфорд сайт, Вашингтон в США) собирали данные более года с перерывами на настройку и обновления. Это был пятый научный запуск GEO600. Во время предыдущих прогонов сигналов не обнаружено.

В первое наблюдение гравитационных волн 14 сентября 2015 г. было объявлено LIGO и Интерферометр Девы коллаборации 11 февраля 2016 г.[20][21] Тем не менее Интерферометр Девы в Италии в то время не работал, а GEO600 находился в инженерном режиме и был недостаточно чувствительным, поэтому не мог подтвердить сигнал.[21][22] GEO600 начал сбор данных одновременно с Advanced LIGO 18 сентября 2015 года.[22]

Утверждения о голографических свойствах пространства-времени

Об этом 15 января 2009 г. Новый ученый что некоторые еще не идентифицированные шумы, которые присутствовали в измерениях детектора GEO600, могли быть вызваны тем, что прибор чувствителен к чрезвычайно малым квантовым флуктуациям пространства-времени, влияющим на положение частей детектора.[23] Это заявление было сделано Крейг Хоган, ученый из Фермилаб, на основе его собственной теории о том, как должны происходить такие колебания, мотивированные голографический принцип.[24]

В Новый ученый В рассказе говорится, что Хоган отправил свое предсказание «голографического шума» сотрудникам GEO600 в июне 2008 года и впоследствии получил график избыточного шума, который «выглядел точно так же, как мое предсказание». Однако до того времени Хоган знал, что эксперимент обнаружил избыточный шум. Статья Хогана опубликована в Физический обзор D в мае 2008 года говорится: «Приблизительное совпадение предсказанного голографического шума с иначе необъяснимым шумом в GEO600 побуждает к дальнейшим исследованиям».[25] Хоган цитирует доклад 2007 года из коллаборации GEO600, в котором уже упоминается «загадочный шум средней полосы» и где нанесены спектры шума.[26] Аналогичное замечание было сделано («В области между 100 Гц и 500 Гц обнаружено несоответствие между некоррелированной суммой всех прогнозов шума и фактической наблюдаемой чувствительностью») в документе GEO600, представленном в октябре 2007 г. и опубликованном в мае 2008 г.[27]

Детекторы гравитационных волн очень часто обнаруживают избыточный шум, который впоследствии устраняется. По словам Карстена Данцманна, главного исследователя GEO600, «повседневная работа по повышению чувствительности этих экспериментов всегда вызывает некоторый избыточный шум (...). Мы работаем, чтобы определить его причину, избавиться от нее и заняться следующим источником лишний шум ".[23] Кроме того, некоторые новые оценки уровня голографического шума в интерферометрии показывают, что он должен быть намного меньше по величине, чем утверждал Хоган.[28]

Данные / Einstein @ home

Регистрируется не только выходной сигнал основного фотодиода, но также выходной сигнал ряда дополнительных датчиков, например фотодиодов, которые измеряют вспомогательные лазерные лучи, микрофоны, сейсмометры, акселерометры, магнитометры и характеристики всех цепей управления. Эти вторичные датчики важны для диагностики и обнаружения влияния окружающей среды на выходной сигнал интерферометра. Поток данных частично анализируется проектом распределенных вычислений ‘Эйнштейн @ home ’, Программное обеспечение, которое волонтеры могут запускать на своем компьютере.

С сентября 2011 года детекторы VIRGO и LIGO были остановлены на модернизацию, в результате чего GEO600 стал единственным действующим крупномасштабным лазерным интерферометром для поиска гравитационных волн.[29] Впоследствии, в сентябре 2015 г. продвинутый LIGO детекторы были подключены и использовались в первом сеансе наблюдений O1 с чувствительностью, примерно в 4 раза большей, чем исходный LIGO для некоторых классов источников (например, двойные нейтронные звезды), и гораздо большей чувствительностью для более крупных систем с их пиковым излучением. на более низких звуковых частотах.[30] Эти передовые детекторы LIGO были разработаны под LIGO Scientific Collaboration с Габриэла Гонсалес в качестве официального представителя. К 2019 году чувствительность новых передовых детекторов LIGO должна быть как минимум в 10 раз выше, чем у оригинальных детекторов LIGO.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Брошюра GEO600» (PDF). GEO600.org. Получено 21 февраля 2016.
  2. ^ а б «Технические характеристики GEO600». uni-hannover.de. Получено 21 февраля 2016.
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-09-25. Получено 2009-01-04.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  4. ^ «Краткая история LIGO» (PDF). ligo.caltech.edu. Архивировано из оригинал (PDF) 3 июля 2017 г.. Получено 21 февраля 2016.
  5. ^ Джим Хаф; Шейла Роуэн (2005). «Лазерная интерферометрия для обнаружения гравитационных волн» (PDF). Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика. 7 (6): S257 – S264. Bibcode:2005JOptA ... 7S.257H. Дои:10.1088/1464-4258/7/6/001.
  6. ^ а б c «Отслеживание нежной дрожи». Гельмут Хорнунг. Max-Planck-Gesellschaft. 2016. Получено 22 февраля 2016.
  7. ^ «GEO600: история и цель». uni-hannover.de. Получено 21 февраля 2016.
  8. ^ Люк Х. и Гроте Х. (2012). «GE600». Усовершенствованный детектор гравитационных волн. Издательство Кембриджского университета. С. 155–168. ISBN  9780521874298.
  9. ^ «История GEO600». GEO600.org. Получено 21 февраля 2016.
  10. ^ Госслер, Стефан; и другие. (2002). "Система очистки мод и аспекты подвески GEO600". Учебный класс. Квантовая гравитация. 19 (7): 1835–1842. Bibcode:2002CQGra..19.1835G. Дои:10.1088/0264-9381/19/7/382. HDL:11858 / 00-001M-0000-0013-53B6-D.
  11. ^ Плисси, М.В .; и другие. (2000). «Система тройного маятникового подвеса GEO600: Сейсмическая изоляция и контроль». Rev. Sci. Instrum. 71 (6): 2539–2545. Bibcode:2000RScI ... 71.2539P. Дои:10.1063/1.1150645. HDL:11858 / 00-001M-0000-0012-CB66-5.
  12. ^ Хильд, Стефан; и другие. (2006). "Измерение образца плавленого кварца с низким поглощением". Прикладная оптика. 45 (28): 7269–72. Bibcode:2006ApOpt..45.7269H. Дои:10.1364 / AO.45.007269. HDL:11858 / 00-001M-0000-0013-4C28-4. PMID  16983413.
  13. ^ "GEO600.org". Веб-страница GEO600. Получено 21 декабря 2015.
  14. ^ Lueck, H; и другие. (2004). «Термокоррекция радиусов кривизны зеркал для GEO600». Учебный класс. Квантовая гравитация. 21 (5): S985 – S989. Bibcode:2004CQGra..21S.985L. Дои:10.1088/0264-9381/21/5/090. HDL:11858 / 00-001M-0000-0013-5129-E.
  15. ^ Хильд, Стефан; и другие. (2009). «DC-считывание детектора гравитационных волн с рециркуляцией сигнала». Учебный класс. Квантовая гравитация. 26 (5): 055012. arXiv:0811.3242. Bibcode:2009CQGra..26e5012H. Дои:10.1088/0264-9381/26/5/055012.
  16. ^ Приатель, Миро; и другие. (2012). «Очиститель выходного режима GEO600». Учебный класс. Квантовая гравитация. 29 (5): 055009. Bibcode:2012CQGra..29e5009P. Дои:10.1088/0264-9381/29/5/055009.
  17. ^ Научное сотрудничество LIGO (2011 г.). «Обсерватория гравитационных волн, работающая за пределами квантового дробового шума». Природа Физика. 7 (12): 962–965. arXiv:1109.2295. Bibcode:2011НатФ ... 7..962л. Дои:10.1038 / nphys2083.
  18. ^ «Чувствительность GEO600». Архивировано из оригинал в 2013-07-26. Получено 2013-05-17.
  19. ^ Двухгодичные отчеты 2004/05 Институт гравитационной физики Макса Планка (PDF). aei.mpg.de. 2005. с. 37. Получено 21 февраля 2016.
  20. ^ Abbott, Benjamin P .; и другие. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Девы) (2016). "Наблюдение гравитационных волн от двойного слияния черных дыр". Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016ПхРвЛ.116ф1102А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975. Сложить резюме (PDF).
  21. ^ а б Кастельвекки, Давиде; Витце, Александра (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна». Новости природы. Дои:10.1038 / природа.2016.19361. Получено 11 февраля 2016.
  22. ^ а б GEO600: передовые детекторы LIGO начинают первый цикл наблюдений.
  23. ^ а б New Scientist - Наш мир может быть гигантской голограммой
  24. ^ Хоган, Крейг Дж .; Марк Дж. Джексон (июнь 2009 г.). «Голографическая геометрия и шум в теории матриц». Phys. Ред. D. 79 (12): 124009. arXiv:0812.1285. Bibcode:2009ПхРвД..79л4009Н. Дои:10.1103 / PhysRevD.79.124009.
  25. ^ Хоган, Крейг Дж. (2008). «Измерение квантовых флуктуаций в геометрии». Phys. Ред. D. 77 (10): 104031. arXiv:0712.3419. Bibcode:2008PhRvD..77j4031H. Дои:10.1103 / PhysRevD.77.104031.
  26. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-21. Получено 2009-03-02.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Выступление К. Стрейна «Состояние GEO600»
  27. ^ http://www.iop.org/EJ/abstract/0264-9381/25/11/114043 Документ GEO600 с упоминанием необъяснимого шума в 2007 году
  28. ^ Смольянинов, Игорь И. (апрель 2009 г.). «Уровень голографического шума в интерферометрии». Phys. Ред. D. 78 (8): 087503. arXiv:0903.4129. Bibcode:2009ПхРвД..79х7503С. Дои:10.1103 / PhysRevD.79.087503.
  29. ^ "Дорожная карта GWIC стр.65" (PDF). Получено 2013-05-17.
  30. ^ Ааси, Дж. (9 апреля 2015 г.). «Продвинутый LIGO». Классическая и квантовая гравитация. 32 (7): 074001. arXiv:1411.4547. Bibcode:2015CQGra..32g4001L. Дои:10.1088/0264-9381/32/7/074001.

внешняя ссылка