0 просмотренных постов скрыто
Большая улыбка от маленьких фемтометров: LISA Pathfinder превзошла ожидания
Фемтометр — это 10⁻¹⁵ метра. Для наглядности, диаметр протона составляет примерно 1,7 фемтометра. 10⁻¹⁴ м/с² — это одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле. И именно такую точность, минимум в пять раз выше изначально запланированной, показал технологический демонстратор гравитационного телескопа LISA Pathfinder.
Небольшое введение
LISA Pathfinder — это аппарат для проверки возможности очень точного измерения гравитационного воздействия на тестовые массы — два кубика из сплава золота и платины, висящие в пространстве. На кубики, в идеале действует только искривление пространства-времени гравитацией. Зонд вместе со всем оборудованием висит в космосе, не касаясь кубиков, компенсируя двигателями малой тяги давление солнечного ветра и прочие возмущения. Положение кубиков очень точно измеряет специальный лазерный интерферометр. Более подробно конструкция зонда с картинками описана тут.
Планы и результаты
Этот график показывает чувствительность в зависимости от частоты. Аналогия со звуком вполне корректна — сталкивающиеся объекты разной массы будут гравитационно «звучать» на разных частотах, какие-то выше, какие-то ниже. LPF Requirements — расчетные значения чувствительности для LISA Patfinder. LISA Requirements — требования к будущему гравитационному детектору LISA из трех зондов. Линия — одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле.
Уже первое включение 1 марта 2016 года вызвало большие и широкие улыбки на лицах ученых — LISA Pathfinder превзошла по чувствительности расчетные параметры!
В течение месяца зонд настраивали, убирая очевидные технические помехи, и чувствительность стала еще лучше, на высоких частотах оказавшись выше, чем это требуется для полноценного детектора:
Интересно, что за прошедшее время ученые и инженеры поняли источники помех, и оказалось, что, в зависимости от частоты, они вызваны тремя причинами:
В левой части, на низких частотах, мешает сама конструкция аппарата. Работают двигатели, электроника, даже от звездных датчиков, которые фактически являются цифровыми фотоаппаратами без тяжелых движущихся частей, все равно идет шум.
В средней части шум возникает от врезающихся в кубики отдельных молекул. Несмотря на то, что емкость с кубиками открыта в вакуум и давление там практически равно нулю, отдельные молекулы воздуха с Земли еще не успели вылететь наружу, и мешают наблюдениям. К счастью, со временем их остается все меньше, и в этом диапазоне частот точность повышается сама собой:
Красная линия — чувствительнось в мае, она лучше, чем синяя линия апреля
Ну и, наконец, в верхней части шум возникает от интерферометра — в реальности кубики не двигаются, но прибор показывает фантомное движение из-за собственного шума.
С такой точностью детектор LISA сможет увидеть гравитационные события, происходящие за миллиарды световых лет:
Желтая линия на графике — это падение маленькой черной дыры в большую на расстоянии 3 миллиарда световых лет. А столкновение двух галактик с черными дырами в центре LISA сможет увидеть за 12 миллиардов световых лет. Это близко к Большому взрыву. И если благодаря телескопу Хаббл мы можем видеть очень далекие древние галактики, то гравитационная астрономия позволит заглянуть даже в то время, когда Вселенная была непрозрачной (первое время после Большого взрыва вещество во Вселенной было настолько близким друг к другу, что фотоны не могли далеко улететь).
Расчетное столкновение галактик должно быть гораздо «громче», чем чувствительность LISA
Пара интересных фактов
В начале июня ученые из проекта LISA Pathfinder отвечали на вопросы на Reddit, и из тех диалогов мы узнали еще несколько интересных вещей.
Прежде всего, «железо» проекта работает прекрасно, до сих пор работает первый комплект двигателей (на зонде два комплекта).
Давление солнечного ветра на LISA Patfinder составляет 28 микроньютонов.
Причина помехи, дающей пик в правой части графика пока не установлена, но ученые подозревают интерференцию от оборудования. Со временем они хотят собрать телеметрию на другой частоте, чтобы установить точную причину и устранить ее.
Будущее
Несмотря на огромный успех LISA Pathfinder и желание, чтобы гравитационный телескоп всматривался в тайны Вселенной уже сейчас, не стоит забывать, что полноценный детектор из трех аппаратов должен появиться только в 2034 году, а, учитывая постоянное смещение по срокам сложных технических проектов, скорее всего и того позже. Несмотря на успех приборов по измерению гравитационного воздействия еще не все технологии, требуемые для LISA, созданы. Например, мы (человечество) пока не умеем связывать три зонда на расстоянии несколько миллионов километров друг от друга лазерными лучами, чтобы очень точно измерять расстояние и передавать данные.
Источники
Скопипащено отсюда
Дополнительно
Показать полностью
8
Точки либрации (точки Лагранжа) - точки равновесия в межпланетном пространстве
Кроме орбит около различных небесных тел, в межпланетном пространстве существует ещё один вид областей, интересных для вывода туда космических аппаратов. Это так называемые точки либрации (точки Лагранжа).
Что это?
Точки либрации - 5 точек равновесия, существующие в системе из двух массивных тел, где тело с меньшей массой вращается вокруг тела с большей массой. Такими системами, к примеру, являются Солнце-Земля, Земля-Луна, Солнце-Юпитер, Марс-Фобос и так далее.
Если бы движение происходило по строго круговым орбитам, и тела не испытывали никакого внешнего воздействия, то в 5 точках притяжение двух тел уравновешивало бы друг друга, и космический аппарат, помещённый в любую из этих точек, оставался бы в состоянии покоя.
Расположение этих точек указано на рисунке выше. L1, L2 и L3 лежат на прямой, соединяющей тела, треугольные точки L4 и L5 расположены по бокам.
В реальности всё несколько сложнее: планеты вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам; к тому же, они испытывают гравитационное возмущение от других небесных тел. Поэтому неподвижно зафиксировать космический аппарат в точках либрации не получится, необходимо постоянно поддерживать стабильность его орбиты. Однако поддерживать орбиту вокруг точки либрации не более затратно, чем орбиту вокруг одной из планет. В связи с этим эти точки вызывают интерес у проектировщиков космических миссий.
Зачем они нужны?
Целесообразность вывода космического аппарата на орбиту вокруг точек либрации в случае разных систем разная. Рассмотрим основные, наиболее близкие нам варианты.
Солнце-Земля
Точка L1 в этой системе интересна для постоянного наблюдения за Солнцем. Точка L2, напротив, интересна для наблюдений, которым солнечное излучение только мешает. (ведь в L2 космический аппарат всё время находится в тени Земли)
С точкой L3 связаны легенды об "Антиземле" - планете-двойнике Земли, спрятанной от нас по ту сторону Солнца. Эта область уже фотографировалась космическими аппаратами, кроме залётных астероидов там, конечно же, ничего нет. Однако в будущем, когда мы наконец начнём активно летать по Солнечной системе, оборудовать станцию в L3 будет очень удобно.
Земля-Луна
В этой системе больше всего интересна точка L2, поскольку она находится над обратной стороной Луны. Как известно, около половины лунной поверхности мы никогда с Земли не видим. Когда начнётся активное исследование обратной стороны Луны, это может вызвать значительные трудности для установления постоянной радиосвязи. Для решения этой проблемы предполагается оборудовать в L2 систему ретрансляторов.
Точка L1 является идеальным местом для строительства пилотируемой орбитальной станции, которая могла бы использоваться в процессе освоения нашего спутника.
Существующие проекты
Точки либрации постепенно начинают осваиваться мировыми космическими агентствами. Действующих и планируемых миссий довольно много, перечислю некоторые из них.
1) LISA Pathfinder. После открытия гравитационных волн в обсерватории LIGO, ESA объявила о планах построить в 2034 году в космосе огромный интерферометр, который будет в разы чувствительнее земного аналога. LISA Pathfinder должна протестировать необходимые для этого технологии. Этот аппарат начал свою научную деятельность в марте этого года, располагается он в точке L1 Солнце-Земля.
2) В октябре 2018 к точке L2 системы Солнце-Земля планируется запустить телескоп Джеймс Уэбб - наследника и приемника стремительно устаревающего Хаббла.
3) В 2017 году Россия планирует запустить в эту точку обсерваторию Спектр-РГ. Задачей этого аппарата является обзор всего неба в рентгеновском и гамма-диапазоне с чувствительностью, в 40 раз превышающей чувствительность предыдущего обзора, сделанного спутником ROSAT в 90-е годы.
4) В 2013 году в эту точку (L2 Солнце-Земля) был запущен европейский аппарат Gaia, который занят составлением подробной звёздной карты.
5) SOHO - совместный проект NASA и ESA, запущенный в 1995 году в точку L1 Солнце-Земля. Его основной задачей является изучение Солнца, однако также благодаря ему было открыто 2000 околосолнечных комет. Снимки, сделанные этим аппаратом, доступны всем желающим в Интернете.
Показать полностью
1
«Ферми» указал на источник гравитационных волн
Количество событий, зафиксированных детекторами «Ферми»
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Космическая обсерватория «Ферми» зафиксировала кратковременный всплеск гамма-излучения, пришедший на Землю спустя 0,4 секунды с момента фиксации гравитационных волн обсерваторией LIGO. Астрофизики предполагают, что эти события связаны — расположение источника вспышки совпадает с предсказаниями коллабораций-первооткрывателей. О находке сообщает препринт, опубликованный на сайте NASA.
Участок неба, откуда, предположительно, пришли гравитационные волны, наблюдался гамма-обсерваторией «Ферми» на протяжении четырех часов до события и семи часов после. В момент регистрации волн (12:50:45.391 MSK) аппарат «видел» лишь 75 процентов интересующего ученых участка, остальная часть была закрыта Землей.
Автоматические системы фиксации гамма-всплесков, установленные на «Ферми», обнаружили лишь два всплеска за шесть часов до и спустя четыре часа после события — по словам ученых, их источниками является магнитосфера Земли. Однако, эти системы реагируют лишь на интенсивные события, поэтому астрофизики провели повторный анализ данных, собранных обсерваторией.
Исследователи детально рассмотрели интервал времени 30 секунд до и после события. Для того, чтобы увидеть слабые всплески, ученые сравнивали фоновый сигнал между 14 детекторами, установленными на «Ферми». В результате удалось обнаружить два дополнительных слабых всплеска, один спустя 0,4 секунды после регистрации гравитационных волн и один спустя 11 секунд. Спектр последнего всплеска оказался мягким, подобная активность часто регистрируется обсерваторией. Вместе с тем, расположение его источника близко к центру Млечного Пути, что не соответствует предсказаниям LIGO/Virgo.
Количество событий, регистрируемых детекторами «Ферми» в данный временной интервал. За ноль принято время регистрации гравитационных волн.
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Первый сигнал обладал достаточно жестким спектром, а его расположение соответствовало предсказаниям коллабораций. Предположив, что он напрямую связан с гравитационными волнами, ученым удалось втрое точнее указать на местоположение пары черных дыр. Согласно расчетам астрофизиков, слияние черных дыр произошло в созвездии Кита или Рыб. Вероятность «ложной тревоги», иначе говоря, что сигнал является артефактом прибора — 0,22 процента.
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (только Fermi)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (только LIGO)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (LIGO и Fermi)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
По словам ученых, обнаружение всплеска электромагнитного излучения при слиянии двух черных дыр — необычный факт. Источником такого излучения может быть аккреционный диск, наличие которого астрофизики допускают для бинарных систем сверхмассивных черных дыр. Однако, расчеты LIGO показали, что столкнувшиеся объекты имели массы порядка нескольких масс Солнца — предсказаний для таких двойных систем не существует. Модели, описывающие возникновение таких коротких гамма-всплесков предполагают наличие нейтронной звезды среди сталкивающихся небесных тел.
О первом за историю человечества прямом наблюдении гравитационных волн 11 февраля сообщили коллаборации LIGO и Virgo. Согласно экспериментам, 14 сентября 2015 года сквозь Землю прошли волны флуктуацию пространства-времени, предсказанные Общей Теорией Относительности. Их источником считается слияние двух черных дыр с массами в десятки масс Солнца, произошедшее 1,3 миллиарда лет назад.
ИСЧТОНИК
Показать полностью
4
Гравитационные волны. Наглядно
Визуализация слияния двух черных дыр с испусканием гравитационных волн.
В колебаниях яркости атмосферы Плутона обвинили гравитационные волны
Команда исследователей миссии New Horizons обнаружила колебания яркости атмосферы Плутона. По словам ученых, в зависимости от угла обзора, меняется яркость слоев дымки, обнаруженных ранее на снимках космического аппарата. Об этом сообщает NASA.
Колебания яркости были обнаружены на снимках, сделанных New Horizons вскоре после максимального сближения с транснептуновым объектом. Спустя несколько десятков минут Плутон оказался на линии, соединявшей аппарат и Солнце и произошло своеобразное «затмение», позволившее детально изучить структуру его атмосферы. Однако, сравнив кадры, сделанные с интервалом 2-5 часов ученые увидели, что свечение толиновой дымки колебалось в пределах 30 процентов. Структура вертикальная слоев при этом оставалась неизменной.
По словам исследователей, ответственными за колебания яркости могут быть атмосферные гравитационные волны. Последние возникают когда какая-либо сила деформирует поверхность (например, океана или атмосферного слоя), а гравитация небесного тела восстанавливает исходное состояние. Стоит отметить, что ничего общего с гравитационными волнами, предсказанными общей теорией относительности, они не имеют.
Возникать гравитационные волны могут в те моменты, когда потоки атмосферных газов огибают горные массивы. Подобные явления хорошо известны на Земле, Марсе и, по словам планетологов, вероятно, на Плутоне. Ранее, влиянием гравитационных волн ученые объяснили и саму структуру атмосферной дымки карликовой планеты. По словам ученых, слоистость атмосферы также является следствием этого явления.
Показать полностью
1
Просто и по-русски о гравитационных волнах
Об открытии гравитационных волн
Участник проекта LIGO Леонид Прохоров рассказывает об историческом открытии гравитационных волн от слияния двух массивных чёрных дыр, до которых более миллиарда световых лет.
Леонид Прохоров – сотрудник кафедры физики колебаний Физического факультета имени М. В. Ломоносова, участник коллаборации LIGO.
Показать полностью