Einstein Telescope – gigantyczny wykrywacz fal grawitacyjnych – o krok bliżej realizacji
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
Ludzie, Ziemia czy gwiazdy pojawili się dlatego, że w pierwszej sekundy istnienia wszechświata wytwarzane było więcej materii niż antymaterii. Ta asymetria była niezwykle mała. Na każde 10 miliardów cząstek antymaterii pojawiało się 10 miliardów + 1 cząstka materii. Ta minimalna nierównowaga doprowadziła do stworzenia materialnego wszechświata, a fenomenu tego współczesna fizyka nie potrafi wyjaśnić.
Z teorii wynika bowiem, że powinna powstać dokładnie taka sama liczba cząstek materii i antymaterii. Grupa fizyków-teoretyków stwierdziła właśnie, że nie można wykluczyć, iż w naszych możliwościach leży wykrycie nietopologicznych solitonów Q-balls, a ich wykrycie pozwoliłoby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego po Wielkim Wybuchu pojawiło się więcej materii niż antymaterii.
Obecnie fizycy uważają, że asymetria materii i antymaterii pojawiła się w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu, a w jej czasie rodzący się wszechświat gwałtownie zwiększył swoje wymiary. Jednak przetestowanie teorii o inflacji kosmologicznej jest niezwykle trudne. Żeby ją sprawdzić musielibyśmy wykorzystać olbrzymie akceleratory cząstek i dostarczyć im więcej energii, niż jesteśmy w stanie wyprodukować.
Jednak amerykańsko-japoński zespół naukowy, w skład którego wchodzą m.in. specjaliści z japońskiego Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) uważają, że do przetestowania tej teorii można wykorzystać nietopologiczne solitony Q-ball. Jedna z teorii dotyczących nierównowagi materii i antymaterii mówi bowiem, że pojawiła się ona w wyniku złożonego procesu tzw. bariogenezy Afflecka-Dine'a. To w jej przebiegu miały pojawić się Q-balle.
Profesor Graham White, główny autor badań z Kavli IPMU wyjaśnia, czym jest Q-ball. Mówi, że jest bozonem, jak bozon Higgsa. Bozon Higgsa pojawia się, gdy pole Higgsa zostaje wzbudzone. Jednak w polu Higgsa mogą pojawiać się też inne elementy, jak grudki. Jeśli mamy pole bardzo podobne do pola Higgsa, które ma pewien ładunek, nie ładunek elektryczny, ale jakiś ładunek, wówczas taka grudka ma ładunek taki, jak jedna cząstka. Jako, że ładunek nie może po prostu zniknąć, całe pole musi „zdecydować” czy tworzy grudki czy cząstki. Jeśli utworzenie grudek będzie wymagało mniej energii, będą powstawały grudki. Łączące się ze sobą grudki stworzą Q-ball, mówi.
Często mówimy, że takie Q-balle istnieją przez jakiś czas. W miarę rozszerzania się wszechświata zanikają one wolniej niż promieniowanie tła, w końcu większość energii wszechświata skupia się w Q-ballach. W międzyczasie pojawiają się niewielkie fluktuacje w gęstości promieniowania, które skupiają się tam, gdzie dominują Q-balle. Gdy zaś Q-ball się rozpada, jest to zjawisko tak gwałtowne, że pojawiają się fale grawitacyjne. Możemy je wykryć w nadchodzących dekadach. Piękno poszukiwań fal grawitacyjnych polega na tym, że wszechświat jest całkowicie dla nich przezroczysty, wędrują więc do jego początku, mówi White.
Zdaniem teoretyków, generowane przez znikające Q-balle fale mają odpowiednie charakterystyki, by można je było zarejestrować za pomocą standardowych wykrywaczy fal grawitacyjnych.
Szczegóły badań zostały opublikowane w serwisie arXiv.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Teorie mówią, że nie istnieją gwiazdowe czarne dziury o takiej masie. Ale, jak wiemy, natura zawsze znajdzie jakiś sposób, mówi Stan Woosley, astrofizyk z University of California, Santa Cruz. Uczony skomentował w ten sposób to, co zarejestrowały wykrywacze fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. A przechwyciły one sygnał świadczący o niezwykle mało prawdopodobnej kolizji czarnych dziur o rzadko spotykanej masie.
Eksperci, którymi kontaktowali się dziennikarze poinformowali, że wśród 22 fal grawitacyjnych zarejestrowanych od kwietnia przez LIGO/Virgo znajduje się taki, który pochodzi od czarnej dziury o masie nawet 100 mas Słońca. Dzisiaj naukowcy potwierdzili, że zauważyli kolizję dwóch czarnych dziur o masach 65 i 85 mas Słońca, w wyniku której powstała czarna dziura o masie 150 mas Słońca.
Krzysztof Bełczyński, astrofizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, był tak pewien, iż zderzenie takich czarnych dziur jest mało prawdopodobne, że w 2017 roku w podczas spotkania w Aspen Center For Physics wraz z Danielem Holzem z University of Chicago zawarli zakład stwierdzając, iż żadna czarna dziura o takiej masie nie zostanie wykryta w pierwszych 100 sygnałach LIGO/Virgo. Do zakładu dołączył później też Woosley. Zakład przyjęło troje innych naukowców. Myślę, że przegramy ten zakład. Ku chwale nauki, mówi Bełczyński.
W 1967 roku fizycy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że jeśli umierająca gwiazda ma bardzo masywne jądro, to nie zapadnie się ono w czarną dziurę. Gwiazda taka zmieni się w supernową niestabilności kreacji par (pair-instability supernova).
Do jej powstania dochodzi, gdy jądro gwiazdy staje się tak gorące, iż światło spontanicznie zamienia się w nim w pary elektron-pozyton. Dotychczas ciśnienie światła zapewniało stabilność jądra. Gdy zaczyna się ono zamieniać w materię ciśnienie to spada, jądro gwałtownie się kurczy, staje się coraz gorętsze, to z kolei przyspiesza produkcję par elektron-pozyton. Powstaje samonapędzający się mechanizm. W końcu temperatura rośnie do tego stopnia, że dochodzi do fuzji tlenu. W jego wyniku implozja zostanie zatrzymana, a rozpoczyna się proces odwrotny. Następuje eksplozja jądra. Jeśli jądro miało masę 65–130 mas Słońca, cała materia zostaje rozrzucona. Po gwieździe pozostaje mgławica. Jądro nie zapada się, nie powstaje czarna dziura.
Jeśli natomiast jądro, w którym doszło do niestabilności kreacji par miało masę od 50 do 65 mas Słońca, dochodzi do serii eksplozji, które stopniowo wyrzucają materię dopóty, dopóki masa jądra nie spadnie poniżej limitu, w którym niestabilność kreacji par już nie zachodzi. Z tego wynika, że nie powinny istnieć gwiazdowe czarne dziury o masie pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. To bardzo proste obliczenia, mówi Woosley, którego praca z 2002 roku na ten temat jest uważana za ostateczne wyjaśnienie problemu.
Mogą za to istnieć, i istnieją, czarne dziury o masie większej niż 130 mas Słońca, gdyż implozja tak masywnego jądra nie może zostać zatrzymana, nawet w wyniku fuzji tlenu. Jądro zapada się do czarnej dziury. Jednak, jako że gwiazdy tracą masę przez całe swoje życie, gwiazda, która utworzyłaby jądro o masie ponad 130 mas Słońca musiałaby mieć co najmniej masę 300 mas Słońca. Tak masywne gwiazdy są niezwykle rzadkie. Dlatego też większość ekspertów uznaje, że LIGo/Virgo może wykryć kolizje czarnych dziur o masach nie przekraczających 50 mas Słońca.
Znamy też supermasywne czarne dziury o masach miliony i miliardy raza większych od masy Słońca, jednak powstają one w inny sposób, a LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć ich zderzeń.
Dlatego tylko niewielu specjalistów uważało, że LIGO i Virgo zauważą kolizje czarnych dziur o masach ponad 50 mas Słońca. Stąd wyzwanie, jakie w formie zakładu rzucili im Bełczyński, Holz i Wooley. Zakład ten przyjęli Carl Rodriguez z MIT, Sourav Chatterjee z Tata Institute for Fundamental Research z Mombasy, do których dołączył później Fred Rasio z Northwestern University. Przegrani mają kupić każdemu z wygranych butelkę wina o wartości 100 USD.
Rodriguez, Chatterjee i Rasio stwierdzili, że co prawda większość kolizji wykrywanych przez LIGO i Virgo prawdopodobnie ma swój początek w izolowanych układach podwójnych, ale niewielka część z nich może zachodzić w gęstych środowiskach takich jak gromady kuliste. Tam zaś, ich zdaniem, może zdarzyć się tak, że np. czarna dziura o masie 50 mas Słońca najpierw wchłonie czarną dziurę o masie 30 mas Słońca, a później znowu połączy się z jakąś czarną dziurą. LIGO/Virgo może zarejestrować to drugie zdarzenie, zatem zauważy zderzenie czarnych dziur, z których co najmniej jedna będzie miała masę pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. Istnieje też jeszcze inna możliwość. Otóż kolizja taka może rozpocząć się również w izolowanym układzie podwójnym. Jeśli jedna z gwiazd układu utworzy czarną dziurę, a układ nadal będzie istniał, to czarna dziura może wchłaniać masę z towarzyszącej jej gwiazdy, rosnąc powyżej „zakazanego” limitu. Później, gdy druga z gwiazd utworzy czarną dziurę, może dojść do kolizji obu czarnych dziur i zarejestrowania tego wydarzenia na Ziemi.
Krzysztof Bełczyński i jego koledzy przegrali więc zakład. Woosley wciąż uważa, że granica „zakazanej masy” istnieje. Jego zdaniem, wśród olbrzymiej liczby czarnych dziur musi istnieć – mimo nielicznych wyjątków – wyraźny spadek liczby czarnych dziur w zakresie masy od 50 do 130 mas Słońca. A te nieliczne istniejące wyjątki to wynik tego, że natura nie znosi próżni.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Australijscy naukowcy z ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics i University of Western Australia zbudowali wykrywacz fal grawitacyjnych, który wykorzystuje kwarc do rejestracji fal o wysokiej częstotliwości. Urządzenie pracuje od zaledwie 153 dni, a już zarejestrowało dwa sygnały, które mogą być falami grawitacyjnymi, jakich nigdy wcześniej naukowcy nie obserwowali. Fale takie mogą pochodzić z pierwotnych czarnych dziur lub chmur cząstek ciemnej materii.
Istnienie fal grawitacyjnych zostało przewidziane przez Alberta Einsteina. Przewidział on, że obiekty astronomiczne mogą generować fale zagiętej czasoprzestrzeni, które rozchodzą się po wszechświecie. Po raz pierwszy fale grawitacyjne zarejestrowano w 2015 roku, a o odkryciu oficjalnie poinformowano w lutym 2016. Odkrycia dokonano w parze dużych interferometrów LIGO.
Fale grawitacyjne powinny ściskać i rozciągać przestrzeń o 1 część na 1021, co oznacza, że cała Ziemia jest ściskana lub rozciągana o 1/100000 nanometra, czyli mniej więcej o grubość jądra atomu. W ramach eksperymentu LIGO zbudowano dwa interferometry ułożone w kształt litery L o długości 4 kilometrów każdy. Na końcach tuneli umieszczono lustra odbijające światło. W stronę luster wystrzeliwany jest promień lasera, który odbija się i powraca do detektorów. Jeśli promienie przebyły drogę o różnej długości, pomiędzy promieniami dojdzie do interferencji. Badając interferencję naukowcy są w stanie zmierzyć relatywną długość obu ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. To wystarczająca dokładność, by wykryć ewentualne zmiany długości obu ramion interferometrów spowodowane obecnością fal grawitacyjnych. W skład LIGO wchodzą dwa laboratoria - w stanach Luizjana i Waszyngton.
Oprócz interferometrów LIGO dysponujemy też europejskim urządzeniem Virgo, który często współpracuje z LIGOw tandemie. Niedawno zaś Japończycy uruchomili obserwatorium KAGRA.
Te trzy obserwatoria są w stanie zarejestrować fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, pochodzące ze zderzeń czarnych dziur, gwiazd neutronowych oraz pochłonięcia gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę.
Pomimo tego, że najwięcej uwagi nauka zwraca na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, istnieje wiele opracowań teoretycznych dotyczących fal o wysokiej częstotliwości. Zgodnie z tymi opracowaniami, źródłem takich fal mają być pierwotne czarne dziury lub ciemna materia. Dlatego też Australijczycy postanowili zbudować wykrywacz tego typu fal.
Został on stworzony z kwarcowego objętościowego rezonatora fali akustycznej (BAW – bulk acoustic wave). Sercem urządzenia jest dysk z kryształu kwarcu, który wibruje pod wpływem przechodzących przez niego fal akustycznych. Fale te indukują ładunki elektryczne w dysku, które możemy wykrywać.
BAW podłączony jest do nadprzewodzącego kwantowego urządzenia SQUID, działającego jak niezwykle czuły wzmacniacz sygnału. Całość została zamknięta w wielu osłonach chroniących wykrywacz przed przypadkowymi polami elektromagnetycznymi i schłodzona do niskich temperatur, co ułatwia wykrycie wibracji akustycznych o niskich energiach.
Tak przygotowany detektor zarejestrował dwa obiecujące sygnały. Teraz grupa uczonych próbuje określić, co było ich źródłem. Jednym z naukowców pracujących przy projekcie jest profesor Michael Tobar. Uczony mówi, że fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości to tylko jedno z możliwych źródeł sygnału. Innymi mogą być naładowane cząstki, naprężenia mechaniczne, upadek meteorytu czy wewnętrzne procesy zachodzące w materiale, z którego zbudowany jest detektor. Nie można też wykluczyć, że doszło do interakcji kwarcowego dysku z cząstkami ciemnej materii o bardzo dużej masie.
Jesteśmy niezwykle podekscytowani faktem, że wykrywacz okazał się tak czuły i rejestruje sygnały. Teraz musimy zrozumieć, co one oznaczają. To jednak pokazuje, że nasze urządzenie może być wykorzystywane w roli detektora fal grawitacyjnych o dużej częstotliwości. To jeden z zaledwie dwóch eksperymentów tego typu na świecie. Planujemy rozbudować go tak, by wykrywał jeszcze wyższe częstotliwości, badał zakresy, po które nikt wcześniej nie sięgał, mówi Tobar.
Australijczycy planują zbudowanie bliźniaczego detektora. Jeśli dwa takie wykrywacze zarejestrują fale grawitacyjne, będzie to niezwykle interesujące wydarzenie, dodaje uczony.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Błędy, nawarstwiające się podczas analiz fal grawitacyjnych z różnych źródeł, mogą prowadzić do wyciągnięcia fałszywych wniosków, że ogólna teoria względności nie opisuje dobrze rzeczywistości, a prawdziwe są alternatywne teorie dotyczące grawitacji. Takie ostrzeżenie wystosowali brytyjscy naukowcy, którzy przeanalizowali sposób gromadzenia się tego typu błędów podczas analiz.
Zarejestrowanie fal grawitacyjnych przez detektor LIGO było jednym z najważniejszych dowodów na prawdziwość ogólnej teorii względności. Jednak fizycy mają nadzieję, że w sygnałach fal grawitacyjnych znajdą też dowody na istnienie błędów w teorii względności. Jako, że teoria Einsteina jest niekompatybilna z mechaniką kwantową, naukowcy podejrzewają, iż nie opisuje ona całościowo interakcji grawitacyjnych. Dlatego też dokonują szczegółowych porównań właściwości fal grawitacyjnych z ogólną teorią względności, a każdą niezgodność interpretują jako możliwe luki w teorii.
Christopher Moore i jego zespól z University of Birmingham podkreślają, że dotychczas wszystkie obserwacje fal grawitacyjnych były zgodne z założeniami Einsteina. Jednak w miarę, jak czułość amerykańskiego LIGO i europejskiego Virgo będzie rosła, a kolejne detektory również włączą się w badanie fal grawitacyjnych, będą dokonywane coraz bardziej szczegółowe analizy. Nie można więc wykluczyć, że autorzy tych analiz zauważą coś, co będą interpretowali jako potwierdzenie alternatywnych teorii.
Moore i jego zespół przyjrzeli się możliwym błędom, które mogą wystąpić podczas analiz różnych wydarzeń generujących powstanie fal grawitacyjnych. Ku swojemu zdumieniu zauważyli, że gdy tworzone są katalogi sygnałów fal grawitacyjnych, drobne błędy nawarstwiają się szybciej, niż przypuszczano.
Naukowcy wyjaśniają, że modelowanie fal grawitacyjnych to bardzo złożony proces. Wprowadza się więc pewne uproszczenia, by przeprowadzanie obliczeń było możliwe. Uproszczenia te polegają m.in. na ignorowaniu pewnych zjawisk fizycznych, np. pochodzących ze spinu czarnych dziur czy ekscentryczności ich orbit. A nawet wówczas, po rezygnacji z części danych, komputery mają problem z dokonaniem dokładnych obliczeń.
Brytyjscy naukowcy stwierdzili, że tempo akumulacji błędów zależy od tego, w jaki sposób łączone są różne wydarzenia generujące fale grawitacyjne. Innymi słowy, wiele zależy od tego, jak do obliczeń dodawane są kolejne parametry. Z jednej strony mamy bowiem stałe parametry, jak np. masę hipotetycznego grawitonu, z drugiej zaś parametry zmienne, jak te dotyczące „włosów” czarnych dziur. Ponadto akumulacja błędów zależy też od tego, jak błędy w modelowaniu rozłożone są w całym katalogu, w którym gromadzone są poszczególne wpisy i w jakim stopniu prowadzą one do odchyleń, czy zawsze przesuwają odchylenia w obliczeniach w tym samym kierunku, czy też je uśredniają.
Moore i koledzy zauważyli, że nawet gdy wykorzystywany model dobrze nadaje się do analizy konkretnego wydarzenia związanego z generowaniem fal grawitacyjnych, to przy wykorzystaniu go do analizy całego katalogu wydarzeń mogą pojawić się błędy, fałszywie wskazujące na prawdziwość teorii alternatywnych wobec ogólnej teorii względności.
Inni specjaliści chwalą Brytyjczyków. Nicolás Yunes z University of Illinois Urbana-Chapaign mówi, że o problemie błędów wskazujących na nową fizykę wiadomo nie od dzisiaj, jednak praca ekspertów z Wielkiej Brytanii to doskonały punkt wyjścia do dalszych badań nad tym problemem i metodami jego przezwyciężenia. Katerina Chatzioannou z California Institute of Technology przyznaje, że obecnie wykorzystywane modele są wystarczająco dobre, by analizować dostępne dane z fal grawitacyjnych, jednak nie wiadomo, czy sprawdzą się one w przyszłości.
W miarę, jak coraz więcej dowiadujemy się o falach grawitacyjnych i ich właściwościach, powinniśmy być w stanie korygować błędy, o których jest mowa w badaniach, dodaje Emanuele Berti z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Z badań przeprowadzonych przez szwajcarsko-duński zespół naukowy wynika, że pojazdy wysłane w przyszłej dekadzie w kierunku Urana i Neptuna mogą zostać wykorzystane do badania fal grawitacyjnych. Zdaniem naukowców, analiza sygnałów radiowych wysyłanych na Ziemię przez pojazdy znajdujące się w zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego, pozwoli na analizowanie zaburzeń czasoprzestrzeni wywoływanych przez fale grawitacyjne.
Autorzy najnowszych badań twierdzą, że fale grawitacyjne wywołają w falach radiowych efekt Dopplera. Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez sygnał radiowy, może go nieco zakłócić powodując przesunięcie częstotliwości. Możemy wykryć te niewielkie zakłócenia i z nich wnioskować o przechodzącej fali grawitacyjnej, mówi główny autor badań Deniz Soyuer z Uniwersytetu w Zurichu.
Pomysł Soyeura i jego zespołu nie jest oryginalny. Już wcześniej próbowano w ten sposób wykrywać w ten sposób fale grawitacyjne. Próbowała tego m.in. NASA, używając w tym celu sondy Horizon, znajdującej się obecnie w Pasie Kuipera. Dlaczego więc tym razem miałoby się udać? Naukowcy mówią, że chodzi o czas i cel misji.
Proponowane misje na Urana i Neptuna mogą zostać wystrzelone około roku 2030. Minie wiele lat, zanim dotrą do celu. W tym czasie będzie wiele okazji, by wykorzystać je do badania fal grawitacyjnych. W ciągu roku będzie jedno, trwające 6 do 8 tygodni, idealne okienko czasowe, kiedy pozycja Ziemi, Słońca i pojazdu będzie odpowiednia do tego typu obserwacji. Zatem w ciągu 10-letniej podróży będziemy mieli 10 takich okienek badawczych, wyjaśnia Soyuer.
Olbrzymią zaletą propozycji jest fakt, że sondy nie musiałyby zabierać ze sobą żadnego specjalnego sprzętu. Już teraz wszystkie misje są wyposażane w instrumenty badające efekt Dopplera, gdyż to właśnie dzięki nim możemy określać pozycję pojazdu w przestrzeni kosmicznej oraz dokonywać pomiarów oddziaływania grawitacyjnego planet. Podstawy proponowanych przez nas badań są bardzo proste, jednak same badania będą trudne, gdyż zmiany częstotliwości powodowane przez fale grawitacyjne są niezwykle małe dodaje Soyuer.
Dodatkowym problemem będzie odfiltrowanie szumów z sygnału. A jednym z największych źródeł takiego szumu jest szum mechaniczny generowane przez anteny odbiorcze na Ziemi. Naukowcy wierzą jednak, że w najbliższym czasie dokonamy na tyle dużego postępu technicznego, że odfiltrowanie szumu i rejestrowanie niewielkich zmian częstotliwości sygnału radiowego będzie możliwe, co pozwoli nam wykorzystać pojazdy lecące w kierunku Neptuna i Urana do badania fal grawitacyjnych generowanych np. przez czarne dziury o masie gwiazdowej krążące wokół supermasywnych czarnych dziur.
Jeśli takie badania udałoby się przeprowadzić, byłyby one świetnym uzupełnieniem naszej wiedzy. Obecnie wykrywamy fale grawitacyjne dzięki detektorom LIGO/Virgo. Kolejnym ważnym krokiem w kierunku badań fal grawitacyjnych ma być misja LISA (Laser Interferometer Space Antenna), czyli planowane przez ESA na rok 2034 umieszczenie w przestrzeni kosmicznej trzech pojazdów wykrywających fale grawitacyjne.
« powrót do artykułu
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.