Gravitational Waves - The first 6 detections

75 (polubienia)
9238 (odsłony)
Ten produkt jest dostępny tylko jeśli posiadasz konto w serwisie My Mini Factory
×
Kolor:

Wstęp 14 września 2015 roku bliźniacze detektory Laserowego Interferometrycznego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) dokonały pierwszej bezpośredniej obserwacji fal grawitacyjnych. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, gdy masywne obiekty są przyspieszane, emitują fale grawitacyjne - zmarszczki w czasoprzestrzeni, które rozprzestrzeniają się z prędkością światła. A gdy obiekty są kilka razy masywniejsze od naszego Słońca i poruszają się z ekstremalnie dużymi prędkościami, są one na tyle silne, że mamy szansę je wykryć. Łączenie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych zapewnia dokładnie takie warunki do emisji silnych fal grawitacyjnych. Źródłem pierwszego wykrytego sygnału, nazwanego GW150914, było zderzenie i połączenie dwóch czarnych dziur w odległej galaktyce, 440 megaparseków (=1435000000 lat świetlnych) od Ziemi. Masy obu czarnych dziur były około 35 i 30 razy większe od masy Słońca. Powstała czarna dziura miała masę zaledwie 62 mas słonecznych, a różnica 3 mas słonecznych (!!) została wyemitowana w postaci fal grawitacyjnych. Fale grawitacyjne to ruchome zniekształcenia samej czasoprzestrzeni. Kiedy przechodzą przez obiekty, które nie są ze sobą sztywno związane, takie jak pierścień mas unoszący się w przestrzeni (lub zawieszone masy testowe w detektorach LIGO), zmieniają odległość między nimi. Wyobraźmy sobie pierścień mas swobodnie unoszący się wokół Ziemi. Kiedy przechodzi przez niego fala grawitacyjna, zniekształca pierścień, rozciągając go w jednym kierunku i ściskając w drugim. Zniekształcenie obraca się z tą samą częstotliwością, z jaką czarne dziury, które wytworzyły falę grawitacyjną, krążyły wokół siebie. Gdy czarne dziury zbliżają się do siebie, orbitują coraz szybciej, a fale grawitacyjne, a tym samym zniekształcenie naszego pierścienia mas, stają się coraz silniejsze. Modele Modele pokazują ewolucję czasową tego zniekształcenia podczas ostatniej jednej dziesiątej sekundy przed połączeniem się czarnych dziur. Każdy poziomy wycinek odpowiada jednej chwili czasu. Zniekształcenie jest obliczane dla pierścieni w lokalizacji Ziemi i pokazane z przesadą o współczynnik 5×10^20, czyli 500000000000000000000! W rzeczywistości efekt jest absolutnie niewielki, zmieniając długość 4 km detektorów LIGO o mniej niż średnicę protonu. (Tutaj znajduje się film pokazujący, w jaki sposób detektory LIGO mogą mierzyć tak niewielkie zmiany odległości). Istnieje 6 modeli, po jednym dla każdego sygnału fal grawitacyjnych wykrytego do tej pory. Na pierwszym obrazku powyżej można zobaczyć źródła dla każdego z sygnałów, rozmiar okręgów odpowiada rozmiarowi (a zatem masie) obiektów. Pierwsze 5 pochodzi ze zderzeń czarnych dziur. Amplituda sygnału zależy zarówno od masy czarnych dziur, ich odległości od Ziemi, jak i orientacji. Częstotliwość sygnału zależy od masy czarnych dziur, przy czym pierwsza z nich, GW150914 jest najcięższa, a GW170608 najlżejsza. Źródłem ostatniego sygnału, GW170817, było połączenie dwóch gwiazd neutronowych, które (prawdopodobnie) utworzyły czarną dziurę. Ponieważ gwiazdy neutronowe są znacznie lżejsze niż czarne dziury, częstotliwość jest bardzo wysoka. Siła emitowanych fal grawitacyjnych była znacznie niższa niż w przypadku fuzji czarnych dziur, ale w tym przypadku źródło znajdowało się ponad 10 razy bliżej niż w przypadku GW150914. Wszystkie modele są w tej samej skali, zarówno pod względem czasu (10,8 milisekundy na centymetr), jak i amplitudy (5×10^20 razy większa niż rzeczywisty rozmiar efektu), dzięki czemu można porównać różne typy sygnałów. Możesz zobaczyć, jak częstotliwość i amplituda sygnału rośnie, gdy dwie czarne dziury zbliżają się do siebie (nazywa się to fazą wdechu), następnie moment, w którym się łączą, a na końcu spadek, w którym amplituda maleje wykładniczo, gdy nowo utworzona pojedyncza czarna dziura chwieje się, aż ustabilizuje się do ostatecznego kształtu. Proces projektowania Źródło danych Modele te opierają się na danych z LIGO. Dane pochodzące z samych detektorów są zbyt zaszumione, aby wygenerować takie modele, więc biorę szablony, które są używane do wyszukiwania sygnału i wyodrębniania z niego parametrów, takich jak masy czarnych dziur. Dla GW150914, GW151226, GW170104 użyłem szablonów bezpośrednio z LIGO. Nie są to dokładnie te, które są używane do analiz naukowych, ale powinny być wystarczająco zbliżone do wizualizacji. W przypadku pozostałych zdarzeń użyłem programu pycbc do wygenerowania przebiegów z parametrami określonymi przez LIGO dla tych źródeł. Przebieg dla zderzenia gwiazdy neutronowej GW170817 został również wygenerowany przy użyciu modelu łączenia się czarnych dziur, więc ostatnia część sygnału prawdopodobnie nie jest dokładna, ale ta część i tak jest w zasadzie niemożliwa do wydrukowania :D Przetwarzanie Na podstawie tych przebiegów, odległości do źródła i nachylenia (kąta między osią obrotu źródła a linią łączącą je z Ziemią) obliczyłem następnie zniekształcenia pierścienia mas w miejscu Ziemi, skierowanego w stronę źródła. Modele pokazują nieco więcej danych niż detektory LIGO mogą dokładnie zmierzyć, w szczególności nachylenie. (Oba detektory są prawie równoległe, więc nie mogą tak naprawdę rozróżnić między większą inklinacją a większą odległością). Użyłem tylko oszacowania maksymalnego prawdopodobieństwa dla inklinacji, ale rzeczywisty sygnał może wyglądać znacznie inaczej. Gdy w najbliższych latach pojawi się więcej detektorów, powinniśmy otrzymać nowe sygnały o znacznie lepiej określonej inklinacji. Modelowanie Wycinki (od 150 do 500 dla każdego modelu) zostały złożone w model 3D w programie Fusion 360 przy użyciu skryptu Python.

Autor:
Almoturg

Opinie

Ten model nie ma recenzji. Chcesz być pierwszym recenzentem? Najpierw musisz wydrukować model.