Szűz (interferométer)

Szűz
Szervezet logója
  • Alapítók
  • Társult tagok
Helyzet
Teremtés 1994. június 27. (CNRS – INFN megállapodás)
típus Nemzetközi tudományos együttműködés
Terület Alapkutatások, gravitációs hullámok
EGO  (en) Santo Stefano a Macerata, Cascina ( Olaszország )
Elérhetőség É 43 ° 37 ′ 53 ″, K 10 ° 30 ′ 18 ″
Költségvetés Körülbelül tízmillió euró évente, amelynek mintegy felét a CNRS finanszírozza
Szervezet
Tagok CNRS ( Franciaország ), INFN ( Olaszország ), Nikhef  (en) ( Hollandia ), POLGRAW ( Lengyelország ) és RMKI ( Magyarország ), UV ( Spanyolország )
Munkaerő Több mint 320 ember
Szóvivő Giovanni Losurdo
Társult szervezetek LVC ( LIGO Tudományos Együttműködés  (en) és Szűz Együttműködés)
Weboldal http://www.virgo-gw.eu
Földrajzi elhelyezkedés a térképen: Olaszország
(Lásd a helyzetet a térképen: Olaszország) Szűz

A Szűz egy óriási tudományos műszer, amelyet Santo Stefano a Maceratában építettek, Cascina falucskájában , Pisa közelében , Olaszországban. A kapcsolódó nemzetközi együttműködés öt ország laboratóriumát foglalja magában: Franciaország és Olaszország (a projekt mögött álló két ország), Hollandia, Lengyelország és Magyarország. A Szűz detektor egy Michelson-interferométer, amelyet külső zavaroktól (függesztett tükrök és műszerek, vákuum lézersugarak) izoláltak, és mindegyik karja három kilométer hosszú. A Szűz célja a gravitációs hullámok közvetlen detektálása, amelyet az általános relativitáselmélet jósol .

Más, a Szűzhöz hasonló detektorok működnek az egész világon, köztük a két Lézer Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO), amelyet az Egyesült Államokban építettek: Hanfordban (Washington) és Livingstonban (Louisiana). 2007 óta a Szűzt és a LIGO-t együttműködési megállapodás köti össze, amely magában foglalja a különféle detektorok által rögzített adatok cseréjét és az adatok közös elemzésével kapott fizikai eredmények közös publikációs politikáját. Erre az együttműködésre szükség van: az óriási interferometrikus detektorok nem irányítottak (az egész eget megfigyelik), és rendkívül gyenge amplitúdójú jeleket keresnek, ritkák és nagyon változatos eredetű műszerzajok zavarják őket. Így csak egy gravitációs hullám egyidejű észlelése több eszközben teszi lehetővé a felfedezés megkötését és a jel forrására vonatkozó információk megszerzését.

Szűz nevezték a Szűz klaszter (Szűz hívják Virgo latin), egy klaszter körülbelül 1500 galaxis található, mintegy 50 millió fényévre a Földtől a csillagképben Szűz . Mivel egyetlen gravitációs hullám földi forrása sem elég erős ahhoz, hogy detektálható jelet hozzon létre, a Szűznek meg kell figyelnie a kozmoszt . Minél hatékonyabb a detektor, annál tovább látja, növelve ezzel a potenciális források számát. Ez azért fontos, mert az erőszakos jelenségek, amelyekre a Szűz érzékeny ( kompakt csillagok , neutroncsillagok vagy fekete lyukak bináris rendszerének koaleszcenciája  ; szupernóva robbanása ; stb.) Ritkák  : minél több Szűz figyeli a galaxisokat és nagyobb annak a valószínűsége, hogy egy gravitációs hullámforrás detektálható jelet bocsát ki.

A 2000-es években a "kezdeti" Szűz detektor építését, majd üzembe helyezését és végül használatát látták. Ez elérte célkitűzéseit, különösen a gravitációs hullámok iránti várható érzékenységét. Ez a hosszú távú munka validálta a Szűz felépítésére tett technikai döntéseket, és kimutatta, hogy az óriási interferométerek ígéretes eszközök a gravitációs hullámok nagy frekvenciatartományban történő detektálására. Az eredeti Szűz detektornak azonban nem volt megfelelő érzékenysége ennek eléréséhez. Ezenkívül 2011-től szétszerelték, hogy helyet kapjon a második generációs Szűz detektornak, az Advanced Virgo-nak, amelynek célja 10-szer nagyobb érzékenység elérése és ezért az Univerzum 1000-szer magasabb térfogatának megfigyelése. Az Advanced Virgo detektor kihasználja a kezdeti detektorral szerzett tapasztalatokat, valamint az elmúlt évek technikai fejlődését.

2016 eleje az Advanced Virgo detektor építésének fontos szakaszát jelenti az integrációs időszak végével. Hónapjában2017. augusztus, az üzembe helyezés első szakasza befejeződött, és az új detektor rögzítette első adatait az Advanced LIGO amerikai detektoraival együtt. Az első adatgyűjtés során az Advanced Virgo rögzítette első gravitációs hullámait: GW170814 és GW170817 .

Célok

A Szűz első célja a gravitációs hullámok közvetlen megfigyelése , amely az általános relativitáselmélet Albert Einstein által 1915-ben publikált elméletének közvetlen következménye . Az 1913 + 16 bináris pulzár (amelynek felfedezését Nobel-díjjal jutalmazták) három évtizedének tanulmányozása. in Physics 1993) lehetővé tette a gravitációs hullámok közvetett bizonyítékának megszerzését : a bináris pulzus keringési periódusának időbeli alakulása kiválóan egyezik azzal a variációval, amelyet feltételezünk, hogy a rendszer gravitációs hullámok formájában veszít energiából . A forgási mozgás felgyorsul (időszaka, jelenleg 7,75 óra, évente 76,5 mikroszekundummal csökken), és a két kompakt csillag megközelíti az évi három métert. Körülbelül háromszázmillió év múlva össze kell fogniuk, és csak a "kozmikus ütközés" előtti utolsó pillanatok generálnak elég nagy gravitációs hullámot ahhoz, hogy látható legyen egy olyan detektorban, mint a Szűz. Ezt az előrejelzést megerősítette a gravitációs hullámok közvetlen észlelése a LIGO óriási interferometrikus detektorával2015. szeptember 14 míg a Szűz álló helyzetben volt felszerelésének javítása érdekében.

Hosszabb távon, ha a gravitációs hullámokat felfedezik, a Szűz részt vehet egy új csillagászati ​​ág kialakulásában azáltal, hogy az Univerzumot más szögből figyeli, és kiegészíti a jelenlegi távcsövekkel és detektorokkal. A gravitációs hullámok által szolgáltatott információk hozzáadódnak az elektromágneses spektrum ( mikrohullámok , rádióhullámok , infravörös , látható , ultraibolya , röntgensugarak és gamma ), kozmikus sugarak és neutrínók tanulmányozásához . Különösen a gravitációs hullámok által kibocsátott több sugárzás független megfigyelése a Szűz és a LIGO fontos célja. Annak érdekében, hogy a gravitációs hullámok észlelését összefüggésbe hozzák a látható és lokalizált eseményekkel, az együttműködések számos kétoldalú megállapodást kötöttek távcsöveket működtető csapatokkal (és általánosabban az Univerzumot megfigyelő tudományos eszközökkel), hogy gyorsan (néhány nap vagy akár egy néhány óra) ezek a partnerek, amikor potenciális gravitációs hullámjelet észlelnek. Ezeket a figyelmeztetéseket el kell küldeni, mielőtt megtudnánk, hogy a jel valós-e vagy sem, mivel a forrás (ha valós) csak rövid ideig látható.

Gravitációs hullám interferometrikus detektálása

A gravitációs hullám hatása egy optikai üregre

Az általános relativitáselméletben a gravitációs hullám a téridő zavarása, amely fénysebességgel terjed. Ezért nagyon kis mértékben görbíti a téridőt, ami lokálisan megváltoztatja a fény útját . Matematikailag, ha az amplitúdó (feltételezzük, hogy kicsi) a beeső gravitációs hullám és a hossza a üreg , amelyben a fény kering, a variációs a optikai út miatt a folyosón a gravitációs hullám a következő képlet adja:

a geometriai tényezőt, amely függ a viszonylagos tájolási közötti üreg és a terjedési irányát a beeső gravitációs hullám.

A kimutatás elve

Első megrendelésre a Szűz Michelson interferométer függesztett tükrökkel. A lézert két sugárra osztja egy 45 fokban megdöntött elválasztó penge. Az így előállított két gerenda terjed az interferométer merőleges karjaiban, tükrök tükrözik őket, amelyek a karok végén helyezkednek el, és rekombinálódnak az elosztón, interferenciát produkálva, amelyet egy fotodióda detektál . A gravitációs hullám áthaladása megváltoztatja a karokban lévő lézer által követett optikai utakat, ami viszont módosítja a fotodióda által rögzített interferencia mintázatot.

Az esetleges gravitációs hullám által hagyott jel tehát „beletartozik” az interferométer kimenetén észlelt fényintenzitás-variációkba. Azonban sok külső okok - generikus elnevezése zajok - tartósan és nagyon jelentősen módosíthatja az interferencia minta: ha nem teszünk semmit, hogy felszámolja azt a fizikai jeleket keresett fulladt e zaj parazita háttér és teljesen észrevétlen marad. Az olyan detektorok kialakításához, mint a Szűz és a LIGO, szükség van a mérést befolyásoló nagyon sok zajforrás felsorolására, és jelentős erőfeszítésekre van szükség a lehető legnagyobb mértékű csökkentésük érdekében. Az adatgyűjtési időszakokban a számítógépes programok folyamatosan mérik az interferométer zajszintjét, és mélyreható vizsgálatokat végeznek a domináns zajok azonosítására és azok okainak kezelésére. Minden olyan periódus, amely alatt egy detektort "túl zajosnak" ítélnek, kizárásra kerül az adatelemzésből: ezért ezeknek a holtidőknek a lehető legnagyobb csökkentése a kérdés.

Detektor érzékenysége

Egy olyan eszközt, mint a Szűz, az érzékenysége jellemez, a legfinomabb jel mértéke, amelyet képes érzékelni - minél alacsonyabb az érzékenység, annál jobb a detektor. Az érzékenység a frekvenciától függően változik, mivel az egyes mérési zajok egy adott frekvenciatartományban dominálnak. Például a fejlett Szűz detektor esetében várhatóan az érzékenységet végső soron korlátozni fogja:

A Szűz egy "széles sávú" detektor, érzékeny néhány Hz és 10  kHz között . Matematikailag érzékenységét a teljesítményspektrális sűrűség jellemzi, amelyet valós időben újraszámolnak a detektor által rögzített adatokból. A szemközti görbe az amplitúdóspektrumsűrűség (a teljesítményspektrumsűrűség négyzetgyöke) példáját mutatja , amelyet a Szűz kapott 2011-ben és "log-log" skálán ábrázolt .

Javított érzékenység

Az optikai üreg helyett interferométer használata nagymértékben javítja a készülék érzékenységét a gravitációs hullámokkal szemben. Valóban, ebben az interferenciamérésen alapuló konfigurációban egyes kísérleti zajok hozzájárulása nagyon erősen csökken: ahelyett, hogy arányosak lennének egy üreg hosszával, ebben az esetben a hosszúság különbségétől függenek. Bónuszként egy interferométerrel profitálhatunk a gravitációs hullám áthaladásának differenciális hatásából a terjedési irányának keresztirányú síkban : amikor az optikai út hosszát egy tényező módosítja , akkor a merőleges optikai út azonos hosszúság változik egy mennyiséggel . A Michelson-interferométer kimenetén lévő interferencia azonban a két kar hosszának különbségétől függ: a mért hatást tehát 2-szeresére erősítik egyetlen üreghez képest.

Ezután az interferométer különféle tükreit a lehető legjobban "meg kell fagyasztani": amikor mozognak, az optikai üregek hossza megváltozik, és ezért a detektor kimenetén az interferenciajel ugyanezt teszi. A tükrök viszonyítási helyzete egy referenciához viszonyítva, és azok igazítása tehát nagyon pontosan szabályozható: jobb, mint a nanométer tizede a hosszúságoknál; néhány nanoradián szintjén a szögekhez . Ez az optimális működési pont annál szűkebb, annál hatékonyabb az interferométer.

Ennek az optimális pontnak az elérése egy kezdeti konfigurációból, ahol a különböző tükrök szabadok, kihívást jelent a műszerezés és az irányítás területén. Az első lépésben minden tükröt lokálisan vezérelnek, hogy csillapítsák a maradék mozgását; akkor egy többé-kevésbé hosszú és összetett műveletsor lehetővé teszi a független helyi vezérlések sorozatából az interferométer egyetlen globális vezérlését. Miután elérte ezt a működési pontot, könnyebb fenntartani, mert a valós időben leolvasott jelek mérik az interferométer jelenlegi konfigurációja és referenciája közötti különbséget. A megállapított különbségek alapján korrekciókat alkalmaznak a különféle tükrökre, hogy a rendszer visszatérjen a működési pontjához.

Az interferometrikus gravitációs hullámérzékelő legjobb működési pontja kissé eltér a "fekete peremtől", amely elrendezésben az osztólapon rekombinált két lézersugár destruktívan hat egymással: a kimeneten szinte semmilyen fény nem érzékelhető. Számítással megmutatjuk, hogy az érzékenység változik , hol van az üregek hossza és a hasítóra eső lézer ereje. A javítás érdekében ezért meg kell növelnünk ezt a két mennyiséget.

Történelem

A Szűz projektet 1993-ban a francia CNRS , 1994-ben pedig az olasz INFN hagyta jóvá , amely két kísérleti intézmény. A detektor építése 1996-ban kezdődött az olaszországi Pisa közelében, Cascina telephelyén. Ban ben2000. december, A CNRS és az INFN létrehozta az EGO  ( fr ) olasz magánjogi konzorciumot . Az EGO felelős a Szűz kísérlet helyszínéért, a detektor felépítéséért, karbantartásáért és fejlesztéséért, valamint az adatgyűjtés fázisaiért. Az EGO feladata az is, hogy elősegítse a gravitáció tanulmányozását Európában.

Ban ben 2015. december, hat francia laboratórium (mindegyik CNRS társfelügyelet alatt áll ) a Szűz együttműködés (amely 19 laboratóriumot és EGO-t is magában foglal) együttműködésének tagja .

A kezdeti Szűz detektor építése 2005-ben fejeződött be 2003. júniusés számos adatgyűjtés történt, különös tekintettel a két LIGO detektorra, 2007 és 2011 között. Ezután a fejlesztés hosszú szakasza kezdődött, amelynek az első fontos szakaszát 2016-ban el kell érnie. A cél az, hogy a jövő fejlett Szűz detektora tízszer nagyobb érzékenységű, mint a kezdeti Szűzé. Ez az új eszköz lehetővé teszi az Univerzum 1000-szer nagyobb területének feltárását, és ezáltal jelentősen megnöveli egy vagy több gravitációs hullámjel észlelésének valószínűségét.

A hangszer

Repülőgépről nézve a Szűz detektor jellegzetes "L" alakú, két merőleges karjával, mindegyik 3 km hosszú  . Ez a két galéria 120 cm átmérőjű vákuumcsöveket tartalmaz  , amelyekben a lézersugarak ultramagas vákuumban keringenek . A fény és a beeső gravitációs hullám közötti kölcsönhatás fokozása érdekében mindkét karba egy Fabry-Perot típusú optikai üreget , valamint egy úgynevezett "újrahasznosító" tükröt helyeznek el a készülék bemeneténél, a lézerforrás között. a hasító penge.

A Szűz 10–10 000 Hz frekvenciatartományban érzékeny a gravitációs hullámokra  . Fő elemei:

A kezdeti Szűz detektor

A kezdeti Szűz-detektor 2007 és 2011 között vett adatokat. A Szűz 2010-ben több hónapra leállt, többek között a felfüggesztési rendszer korszerűsítése érdekében: a kezdeti acélkábeleket szilícium-dioxid szálakkal (üveg) cserélték le, hogy csökkentse a szuszpenziók hőzaja. Több hónapos adatgyűjtés után a "Szűz +" konfigurációban a kezdeti Szűz detektort leállították2011. szeptember a fejlett Szűz detektor - "Advanced Virgo" telepítésének megkezdéséhez.

Az Advanced Virgo detektor

Az Advanced Virgo célja, hogy tízszer érzékenyebb legyen, mint a Szűz első verziója, amely lehetővé tette a gravitációs hullám első észlelését. Az Advanced Virgo ugyanazt az infrastruktúrát tartja vákuumszinten, mint a Szűz (azonban a karok végén "kriogén légzárók" vannak hozzáadva a maradék részecskék befogásához a csövekben), de az interferométer többi részét jelentősen módosították. A tükrök nagyobbak lesznek ( átmérője 350  mm , súlya 40  kg ), és még jóval nagyobb optikai teljesítményt nyújtanak. Az interferométer vezérléséhez használt legérzékenyebb optikai elemek most vákuumban lesznek, és el vannak szigetelve a földtől érkező szeizmikus zajoktól. Egy adaptív optikai rendszer is telepíthető a megfelelő in situ tükör aberrációt . Végleges konfigurációjában a lézer 200 W teljesítményt fog leadni  .

Az Advanced Virgo fontos első lépését 2016-ban érték el. Ez a lépés a detektor telepítésének végének felel meg. Több hónapos üzembe helyezési fázist követően a LIGO- val közösen az első adatgyűjtési időszakra a1 st augusztus 20171 hónapig, O2 megfigyelés. Tól től2017. szeptember és egy éven keresztül az Advanced Virgo egy sor frissítéssel fog élni az érzékenységének javítása érdekében.

A haladó Szűz először észlelte a gravitációs hullámot 2017. augusztus 14, a GW170814 jelhez társítva . A Szűz közreműködése döntő volt a két neutroncsillag összeolvadásával társított GW170817 gravitációs hullám eredetének az égbolton történő megtalálásában . Ez volt az első alkalom, hogy egy ilyen eseményt feljegyezhettek, és azonnal követte számos földi és űrmegfigyelő központ az elektromágneses mezőben.

Képtár

Megjegyzések és hivatkozások

  1. A SZŰZ és a LIGO közötti egyetértési megállapodás
  2. A SZŰZ és a LIGO közötti egyetértési megállapodás
  3. (a) KN Yakunin et al., "  Gravitációs hullámok a szupernóva mag összeomlása  " , klasszikus és Quantul Gravity ,2010( online olvasás )
  4. Gravitációs hullámok: források, detektorok és keresések
  5. Fizika, asztrofizika és kozmológia gravitációs hullámokkal
  6. (hu) JM Weisberg és JH Taylor, "  relativisztikus Binary Pulsar B1913 + 16: harmincéves Megfigyelési és elemzés  " , ASP konferencia-sorozat ,2004( online olvasás )
  7. (a) Benjamin P. Abbott és munkatársai. , „  Gravitációs hullámok megfigyelése bináris fekete lyukak összeolvadásából  ” , Phys. Fordulat. Lett. , vol.  116,2016, P.  061102 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.116.061102 , online olvasás )
  8. (in) A Szűz Együttműködés, A SZŰZ könyv Physics Vol. II ,2006(www.virgo-gw.eu/vpb/vpb2.ps.gz)
  9. (en) Patrice Szia, tengelykapcsolók interferometrikus gravitációs hullám detektorok ,1996( online olvasás )
  10. (in) F. csap et al., "  Az adatok minősége a gravitációs hullám tör, és Inspiral kereséseket második Szűz Science Run  " , Class. Quantum Grav. , N o  27,2010, P.  194012 ( online olvasás )
  11. (en) Vajente G., érzékenységi és zajforrások elemzése a Szűz gravitációs hullám interferométerhez ,2008( online olvasás )
  12. P. Helló. Gravitációs hullámok detektálása. Tematikus iskola. Iskola Joliot Curie "Nukleáris szerkezet: egy új horizontot" Maubuisson (Franciaország), 8-13 szeptember 1997: 16 th  ülésén, 1997. http://memsic.ccsd.cnrs.fr/cel-00652732/document
  13. T. Accadia et al., „  Szűz: a lézer interferométer kimutatására gravitációs hullámok  ”, Journal of Instrumentation , n o  7,2012( online olvasás )
  14. T. Accadia és mtsai: "  A Szűz interferométer hosszirányú vezérlőrendszerének teljesítménye a második tudományos futtatás során  ", Astroparticle Physics , n o  34,2011, P.  521–527 ( online olvasás )
  15. A CNRS aláírja a francia – olasz megállapodást az EGO „Európai Gravitációs Megfigyelő Intézet” konzorciumának létrehozásáról
  16. Gravitációs hullámok A francia-olasz VIRGO detektor felavatása
  17. Gravitációs hullámok: A Szűz tudományos kiaknázási szakaszába lép
  18. (in) F. Bondu és mtsai: "  Ultrahigh spektrális tisztaságú lézer a VIRGO kísérlethez  " , Optika betűk , n o  21,1996( online olvasás )
  19. (a) F. BONDU et al., "  A VIRGO befecskendező rendszer  " , Klasszikus és Quantum Gravity , n o  19,2002( online olvasás )
  20. (en) A Szűz Együttműködés, Fejlett Szűz Műszaki Tervezési Jelentés ( online )
  21. (a) J. Degallaix, "  Silicon, a teszt szubsztrát tömege holnap?  " , A gravitációs hullámcsillagászat következő detektorai ,2015( online olvasás )
  22. (in) R. Bonnand, a fejlett szűz gravitációs hullámérzékelő / a tükrök optikai kialakításának és fejlődésének vizsgálata ,2012( online olvasás )
  23. (in) R Flaminio et al., "  A mechanikai és optikai bevonat veszteségeinek vizsgálata a tükör hőzajának csökkentése érdekében a gravitációs hullám detektorokban  " , Klasszikus és kvantum gravitáció , n o  27,2010( online olvasás )
  24. (a) Mr. Lorenzini & szűz Collaboration, "  A monolitikus szuszpenziót a szűz interferométer  " , Klasszikus és Quantum Gravity , n o  27,2010( online olvasás )
  25. (a) S. Braccini et al., "  Mérése a szeizmikus csillapítás teljesítményt a VIRGO Superattenuator  " , Astroparticle Physics , n o  23,2005( online olvasás )
  26. "  Nagyon nagy vákuum technológia  " , www.ego-gw.it (elérhető : 2015. december 2. )
  27. Személyes kommunikáció Carlo Bradaschia, a Virgo vákuummenedzsere (2015)
  28. Szűz: lézeres interferométer a gravitációs hullámok detektálására
  29. (in) Marzia Colombini, termikus zaj kérdés a monolitikus felfüggesztések a szűz interferométer gravitációs hullám + ( olvasható online )
  30. (in) A Szűz Együttműködés, "  A Szűz projekt állapota  " , klasszikus és kvantum gravitáció ,2011( online olvasás )
  31. Advanced Virgo: 2. generációs interferometrikus gravitációs hullámdetektor
  32. Információ a 2015. novemberi munkamegbeszélésről ( Szűz hét ) az együttműködésről.
  33. Barbara Patricelli, „  Információ a GW170814-ről  ” , a public.virgo-gw.eu oldalon ,2017. szeptember 27.
  34. LIGO tudományos együttműködés és szűz együttműködés , B. P. Abbott , R. Abbott és T. D. Abbott , „  GW170817: Gravitációs hullámok megfigyelése bináris neutroncsillag-inspirációból  ”, Physical Review Letters , vol.  119, n o  16,2017. október 16, P.  161101 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.119.161101 , online olvasás , hozzáférés : 2017. október 17 )

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek