Как работает ЛИГО?

LIGO описывается как работающий как интерферометр, подобный интерферометру Майкельсона-Морли, но с множеством отражений вдоль плеч для повышения чувствительности. В работе ММ предполагалось, что зеркала удерживаются в жесткой связи, и поэтому различия в скорости света вдоль ортогональных плеч будут проявляться как фазовый сдвиг. Но в LIGO зеркала на концах рукава считаются пробными частицами, которые будут двигаться с искажением пространства гравитационными волнами. Не повлияет ли это искажение на правильное расстояние, которое проходят фотоны, чтобы не было фазового сдвига? Как зеркала и фотоны могут по-разному реагировать на изменение пространственно-временной метрики?

Ответы (2)

Это отличный вопрос! Полости рукавов LIGO имеют длину около 4 км, что составляет примерно 1 фотон. 10 − 5 с пройти. Вдобавок ко всему, как вы упомянули, типичный фотон будет отражаться несколько сотен раз (может быть, 500 раз) внутри полости. Так что типичный фотон может провести в резонаторе, скажем, несколько миллисекунд. Другими словами, мы ожидаем, что фотоны в резонаторе будут пополняться с частотой около 100 Гц. Это известно как полюсная частота интерферометра LIGO.

Теперь типичный гравитационно-волновой сигнал от слияния компактной двойной системы будет чирикать (увеличивать частоту) с момента, когда он входит в полосу чувствительности детектора (около 20 Гц или около того), до момента, когда двойная система окончательно сливается. Масштабирование ф ∼ ( т с − т ) − 3 / 8 , где т время наблюдения и т с время коалесценции, и это действительно в ведущем порядке в в 2 / с 2 , где в - орбитальная скорость). Типичные частоты слияний порядка нескольких сотен Гц для черных дыр и 1000-2000 Гц для двойных нейтронных звезд. Это масштабирование означает, что двоичный файл будет проводить гораздо больше времени на низких частотах, ниже 100 Гц, чем выше.

В этом режиме фотоны входят в полость и покидают ее до того, как гравитационная волна совершит полное колебание. Так что же измеряется? Что ж, измеряется разность фаз двух фотонов на выходе интерферометра, совершивших кругосветное путешествие по двум разным плечам. Два фотона, вошедших в интерферометр в одно и то же время, будут иметь одинаковую фазу при выходе, но они уйдут в разное время, потому что время прохождения туда и обратно будет разным. Таким образом, сравнивая фотоны, выходящие из интерферометра в одно и то же время, LIGO, по сути, измеряет разницу во «времях входа» в интерферометр для фотона, прошедшего по одному и другому пути. Суть в том, что мы должны думать об этих фотонах как о бегущих волнах., а LIGO измеряет изменение поведения бегущих волн при прохождении ГВ через прибор.

Для высокочастотных гравитационных волн есть некоторая потеря выше частоты полюса, в основном из-за эффекта, о котором говорит ОП. Стандартное представление о том, что «длины плеч колеблются по-разному, поэтому время полета фотона различно в разных плечах», в конечном итоге отображается в вычислении, которое является ведущим порядком в кривизне пространства-времени; могут быть включены члены более высокого порядка (на самом деле расчет может быть выполнен точно в линейном порядке по возмущению метрики), и эффект этих членов действительно заключается в уменьшении способности детектора обнаруживать ГВ.

[Необязательное, более расширенное техническое примечание]На самом деле очень тонкий момент заключается в том, что, поскольку LIGO представляет собой полость Фабри-Перо, с совершенными часами они могут измерять GW только одним плечом. В принципе, LIGO может привести резонатор в резонанс, и тогда любая проходящая мимо ГВ изменит длину плеча и выбьет резонатор из резонанса. Однако проблема в том, что идеальных часов не бывает; в лазере присутствует частотный шум, который нельзя уменьшить до уровня, необходимого для обнаружения ГВ. Так что фактически то, что делается на практике, заключается в активном управлении степенями свободы интерферометра, чтобы удерживать интерферометр в резонансе (или «запертом»). Канал гравитационных волн фактически получен из того, какие смещения необходимо добавить к «естественному» движению зеркал, чтобы интерферометр оставался заблокированным; это называется термином ошибки. Чтобы сохранить резонанс обоих рук, свет в одной полости можно использовать в качестве эталонных часов для другой полости. В конце концов, два плеча все еще необходимы, но не из-за аналогии с интерферометром Майкельсона, которую обычно приводят, а из-за того, что частотный шум компенсируется вне канала дифференциального плеча.

Некоторые ссылки:

Значит, один из рычагов — это световые часы, которые так часто используются в объяснениях специальной теории относительности?
@RomanOdaisky Я не думаю, что это одно и то же. Во-первых, чтобы провести аналогию с этим мысленным экспериментом, нам нужно было бы работать в специальной теории относительности, поэтому нам нужно было бы удалить все гравитационные волны и любые другие гравитационные эффекты. В этой ситуации установка LIGO устраняет любой частотный шум на выходе интерферометра — по сути, оба плеча имеют одинаковую неопределенность в частоте света, так что это можно отменить, но ни один из наблюдателей не уверен в своих ошибках. собственные часы. Я думаю, что синхронизация Эйнштейна предполагает, что у каждого наблюдателя есть идеальные часы.
То есть вы активно контролируете резонанс, используя в качестве выходных данных погрешность (которую затем нужно сравнить с другой рукой)? По сути, это то же самое, что и обычное FM-радио, только с другим оборудованием.
@ AI0867 AI0867 Конечно, в LIGO есть еще кое-что, но да, есть много радиочастотной техники, которая используется в системе управления и в схеме считывания LIGO. Если вам интересно, более подробная информация и ссылки на дополнительные сведения приведены в документе о приборе Advanced LIGO: arxiv.org/abs/1411.4547 .

Насколько я понимаю, LIGO измеряет приливные силы --- то есть отличие направления и силы гравитации от местной вертикали --- и эти силы могут быть значительными, даже когда геометрия пространства мало затронута. Изменение расстояния между зеркалами обусловлено их ф "=" м а "=" м ( дельта г ) движения, а не потому, что ∫ д с 2 изменения. Таким образом, интерферометрическая часть LIGO работает так же, как и любая другая оптическая интерференция --- за исключением того, что ее точность порядка 10 − 15 см ≈ 10 − 10 λ .

Я согласен с тем, что LIGO измеряет приливные силы. Но я бы сказал, что «сила, действующая на зеркало», и «собственное время, прошедшее в пути» — это просто два разных способа говорить и вычислять то, что измеряется. Картина «сила на зеркале» позволяет вам анализировать интерферометр, как и любой другой интерферометр (как вы сказали), в то время как формулировка вещей в терминах координатно-инвариантных величин, таких как собственное время, более естественна с точки зрения теоретика ОТО, а также действительна. когда длина волны гравитационной волны меньше интерферометра.
Как работает ЛИГО?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v