Piotr JaranowskiPiotr JaranowskiWydział Fizyki Uniwersytetu w BiałymstokuWydział Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku

POLOWANIEPOLOWANIE

NA FALE GRAWITACYJNENA FALE GRAWITACYJNE

BiałystokBiałystok17.11.200717.11.2007

Czym jest Czym jest grawitacja?grawitacja?

221

rmmGF

W teorii grawitacji NewtonaW teorii grawitacji Newtonaoddziaływanie grawitacyjneoddziaływanie grawitacyjne

rozchodzi się z nieskończenie wielką prędkością,rozchodzi się z nieskończenie wielką prędkością,teoria grawitacji Newtonateoria grawitacji Newtona

jest jest niezgodnaniezgodna ze szczególną teorią względności! ze szczególną teorią względności!

W szczególnej teorii względnościW szczególnej teorii względnościistnieje maksymalna prędkość rozchodzenia sięistnieje maksymalna prędkość rozchodzenia sięoddziaływań; prędkość ta jest jednocześnieoddziaływań; prędkość ta jest jednocześnieprędkością rozchodzenia się światła w próżni:prędkością rozchodzenia się światła w próżni:

km/s.000300c

ogólna teoria względności (1915)ogólna teoria względności (1915)

szczególna teoria względnościszczególna teoria względności(1905)(1905)

teoria grawitacji Newtonateoria grawitacji Newtona(1687)(1687)

0Gc

Galileusz: w danym polu grawitacyjnym wszystkie ciała spadająz tym samym przyspieszeniem.

Zasada równoważnościZasada równoważności

Einstein: prawa fizyki w nie rotującym układzie odniesienia, który spada swobodnie w jednorodnym polu grawitacyjnym,są prawami szczególnej teorii względności.

W W niejednorodnymniejednorodnym polu grawitacyjnym polu grawitacyjnymgrawitacja może być usuniętagrawitacja może być usunięta lokalnielokalnie::

w pewnym sensie rzeczywistew pewnym sensie rzeczywiste(tzn. niezależne od stanu ruchu obserwatora)(tzn. niezależne od stanu ruchu obserwatora)

są tylko grawitacyjne są tylko grawitacyjne siły pływowesiły pływowe..

Einstein: Einstein: grawitacja nie jest siłągrawitacja nie jest siłą;;grawitacja jest zakodowanagrawitacja jest zakodowanaw strukturze geometrycznej w strukturze geometrycznej

czasoprzestrzeni.czasoprzestrzeni.

Grawitacja jest krzywizną czasoprzestrzeniGrawitacja jest krzywizną czasoprzestrzeni

Materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać,Materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać,a czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać.a czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać.

Źródłem pola grawitacyjnego jest energia i pędŹródłem pola grawitacyjnego jest energia i pędoraz przepływy energii i pędu.oraz przepływy energii i pędu.

Ugięcie światła w pobliżu ciał o dużej Ugięcie światła w pobliżu ciał o dużej masie.masie.

Anomalne przesunięcie peryhelium Merkurego.Anomalne przesunięcie peryhelium Merkurego.

grawitacja może wytwarzać więcej grawitacjigrawitacja może wytwarzać więcej grawitacji(ogólna teoria względności jest teorią (ogólna teoria względności jest teorią nieliniowąnieliniową))

czarne dziuryczarne dziury

zmiany pola grawitacyjnegozmiany pola grawitacyjnegopropagują się z prędkością światłapropagują się z prędkością światła

fale grawitacyjnefale grawitacyjne

Czym są fale grawitacyjne?Czym są fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjnesą zmarszczkami

krzywiznyczasoprzestrzeni

propagującymi sięz prędkością światła.

)(tr

Swobodnie spadający i nie rotujący układ odniesienia,fala grawitacyjna jest jedynym źródłem krzywizny czasoprzestrzeni.

00 )(),()( rttrtr

Jak można zaobserwować falę grawitacyjną?

Przybliżenie długofalowe:Przybliżenie długofalowe: .)( tr

Polaryzacja +

aPolaryzacj

Linie pola sił wytworzonego przez falę grawitacyjnąLinie pola sił wytworzonego przez falę grawitacyjną

Dwie niezależne polaryzacje fali grawitacyjnejDwie niezależne polaryzacje fali grawitacyjnej

L

L+L

Miarą amplitudyMiarą amplitudyfali grawitacyjnej jestfali grawitacyjnej jest

. ~LLh

Fale grawitacyjne mają charakter kwadrupolowy:

ciała osiowosymetryczne rotujące wokół osi symetriiciała osiowosymetryczne rotujące wokół osi symetriinie emitują fal grawitacyjnych. nie emitują fal grawitacyjnych.

Moc promieniowana grawitacyjnegoMoc promieniowana grawitacyjnegoemitowanego przez wirujący prętemitowanego przez wirujący pręt

2,24532

452

2g

62g

5

5

642

lvcGMr

cv

lr

Gc

GclML

W)109,3(

W106,3

26

525

SłońceLGc

W100,3

Hz 10)2/(m10 kg,102

33

3

L

flM

AstrofizyczneAstrofizyczne

źródła fal grawitacyjnychźródła fal grawitacyjnych

Źródła astrofizyczne emitują fale o częstotliwościachŹródła astrofizyczne emitują fale o częstotliwościach.f Hz10Hz10 418

. km30km103 23 Długości takich falDługości takich fal

Zlewające się ciasne układy podwójneZlewające się ciasne układy podwójneobiektów o masach gwiazdowychobiektów o masach gwiazdowych

(zwykłe gwiazdy, białe karły,(zwykłe gwiazdy, białe karły,gwiazdy neutronowe, czarne dziury).gwiazdy neutronowe, czarne dziury).

Układy podwójne obiektów astrofizycznychUkłady podwójne obiektów astrofizycznych

Czarne dziuryCzarne dziuryo masach gwiazdowycho masach gwiazdowych

obiegająceobiegającesupermasywne czarne dziury.supermasywne czarne dziury.

Wybuchy supernowych.Wybuchy supernowych.

Rotujące pojedynczeRotujące pojedynczegwiazdy neutronowe.gwiazdy neutronowe.

„„Ćwierk”Ćwierk”

Zlewający się układ podwójnyZlewający się układ podwójny

Podwójny pulsar PSR 1913+16:Podwójny pulsar PSR 1913+16:pośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnychpośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych

(R. A. Hulse, J. H. Taylor, nagroda Nobla 1993)(R. A. Hulse, J. H. Taylor, nagroda Nobla 1993)

s/rok.1075/

min, 45h 7 orbitalny Okres6

tP

P

Zgodność z OTW lepsza niż 0,4%.Zgodność z OTW lepsza niż 0,4%.

Astronomia fal grawitacyjnychAstronomia fal grawitacyjnych

• Sprawdzenie własności fal grawitacyjnych przewidywanych przez ogólną teorię względności.

• Bezpośrednie wykrycie czarnych dziur.

• Pomiar mas gwiazd neutronowych i czarnych dziur tworzących układy podwójne, pomiar odległości tych układów.

•Niezależne pomiary parametrów kosmologicznych: stałej Hubble’a, parametru hamowania i stałej kosmologicznej.

• Wykrycie grawitacyjnego promieniowania tła.

Detektory fal grawitacyjnychDetektory fal grawitacyjnych

Detektory na powierzchni Ziemi:Detektory na powierzchni Ziemi:detektory rezonansowe,detektory rezonansowe,

interferometry laserowe.interferometry laserowe.

Detektory w przestrzeni kosmicznej:Detektory w przestrzeni kosmicznej: LISA (ESA/NASA).LISA (ESA/NASA).

Jak działa detektor rezonansowy?Jak działa detektor rezonansowy?

Czułość detektorów rezonansowychCzułość detektorów rezonansowych

.10:planowana

,10,Hz1kHz1:obecnie21

19

h

hf

Detektory rezonansowe na świecieDetektory rezonansowe na świecie

  

Detektor Kraj TemperaturaNAUTILIUS Włochy 100 mK

AURIGA Włochy 250 mK

EXPLORER Włochy (CERN) 2.6 K

ALLEGRO USA 4.2 KNIOBE Australia 5 K

EXPLORER (Włochy, CERN)EXPLORER (Włochy, CERN)

ALLEGRO (USA)ALLEGRO (USA)

Jak działa interferometr laserowy?Jak działa interferometr laserowy?

Jak silnych fal grawitacyjnych spodziewamy się na Ziemi?Jak silnych fal grawitacyjnych spodziewamy się na Ziemi?

Jak małe zmiany długości można mierzyć?Jak małe zmiany długości można mierzyć?

Jakie rozmiary powinny mieć detektory?Jakie rozmiary powinny mieć detektory?

2122 10do10~ h

ru)atomu wodośrednicy 000000(1/100 m10~ 18L

km10dokm1~hLL

Detektory interferometryczne na świecieDetektory interferometryczne na świecie

Detektor Kraj Długość

LIGO USA (WA) 4 km/2 km

LIGO USA (LA) 4 km

VIRGO Francja/Włochy 3 km

GEO600 Niemcy/Wielka Brytania 600 m

TAMA300 Japonia 300 m

LIGO Livingstone ObservatoryLIGO Livingstone Observatory

LISA (ESA/NASA, 2017)LISA (ESA/NASA, 2017)

234 10Hz,1Hz10 hf

OObecnie działające detektory becnie działające detektory mogąmogą wykryć fale wykryć fale grawitacyjne, detektorygrawitacyjne, detektory te po planowanych w najbliższych te po planowanych w najbliższych latach ulepszeniach latach ulepszeniach powinnypowinny wykryć fale, wykryć fale, natomiastnatomiast detektor wdetektor w przestrzeni kosmicznej LISA przestrzeni kosmicznej LISA musimusi wykryć fale wykryć fale grawitacyjne.grawitacyjne.

Fale grawitacyjneFale grawitacyjnena Uniwersytecie w Białymstokuna Uniwersytecie w Białymstoku

Wydział FizykiWydział FizykiZakład Astronomii i AstrofizykiZakład Astronomii i Astrofizyki

• Analiza danych z włoskich detektorów fal grawitacyjnych Analiza danych z włoskich detektorów fal grawitacyjnych EXPLORER i NAUTILIUSEXPLORER i NAUTILIUS

• Statystyczna teoria wykrywania sygnałówStatystyczna teoria wykrywania sygnałów• Badanie problemu ruchu i promieniowania w OTWBadanie problemu ruchu i promieniowania w OTW