Короткий ответ

Три детектора значительно улучшат способность определять направление гравитационных волн.

Длинный ответ

Найти направление источника гравитационной волны, как и в большинстве случаев в науке, сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Я хотел бы отметить, что процесс, используемый для определения направления, не является точно формой триангуляции (даже если у него было 3+ детектора), потому что триангуляция включает в себя определение точного положения на основе знания расстояний до объекта из 3 или более местоположений. Это не совсем то, что здесь происходит.

Я расскажу об основах определения направления и о том, как можно улучшить этот метод с помощью большего количества детекторов, но вы также можете прочитать этот превосходный источник .

Время прибытия

Основным способом определения направления является время прибытия на различные детекторы. Активные в настоящее время детекторы расположены на расстоянии около 10 миллисветовых секунд друг от друга. Это означает, что сначала один из них обнаружит волну, а через некоторое время ее обнаружит другой. Учитывая, что волна должна двигаться со скоростью света, вы можете определить направление, из которого она двигалась, чтобы она прошла расстояние между двумя детекторами за измеренную разницу во времени.

Но это представляет проблему, потому что этот метод имеет вырождения только с двумя детекторами. На самом деле все, что вы можете рассчитать, — это угол направления волны относительно линии, соединяющей два ваших детектора. Это дает вам только конус на небе, откуда могла прийти волна, и вы не можете точно определить азимутальный угол без дополнительной информации. Эту концепцию можно увидеть на изображении ниже, показывающем вероятное направление. Вы можете видеть, что они еще больше ограничили его, но их форма по-прежнему является частью круга (проекция этого конуса на небо).

Что, если вы добавите еще один детектор?

Как указано выше, у вас есть вырождение только с двумя детекторами, но добавление третьего нарушит это вырождение. Вы бы превратили свой конус в точку и намного точнее узнали бы, откуда взялся источник. Больше детекторов позволит вам определить это место еще точнее, но для устранения всех вырождений необходимо только 3.

Теперь, конечно, я описывал, как это будет работать «теоретически». На практике наблюдения обычно гораздо более беспорядочны. Любое измерение сопряжено с ошибкой, поэтому даже с тремя детекторами вы не сможете точно определить местоположение. Скорее всего, вы сможете определить его по небольшому участку в небе. Здесь можно использовать другие методы определения направления для уточнения этого местоположения.

Чувствительность детектора

Суть эксперимента заключается в том, что устанавливается масса, которая может сокращаться по длине под действием гравитационных волн. Это крошечное сжатие пространства-времени (и, следовательно, массы) при прохождении можно измерить с помощью точных лазеров и интерферометрии. Однако лазеры могут измерять сокращение массы только в одном направлении. Степень сжатия массы в этом направлении зависит от направления, в котором на нее падает волна. Это чрезмерное упрощение, но если модуляция волны (то есть направление, в котором она идет «вверх» и «вниз») идеально совпадает с направлением, в котором измеряются сокращения, вы измеряете полные эффекты волна. Если волна приходит под некоторым углом к ​​этому, вы все еще измеряете эффекты, но вы'

Для этого процесса обнаружения направления волны требуется как минимум 2 детектора, но для подавления шума лучше использовать больше детекторов.

Во-первых, карта звездного неба для события GW150914 покрывает около 600 квадратных градусов, из которых Большое Магелланово облако составляет лишь малую часть этого, и, кроме того, предполагаемое расстояние до этого слияния составляет около 400 Мпк, что на порядки больше, чем расстояние до БМО ( ~50кпк) [источник] . Так что не думайте, что это именно то, откуда она взялась, потому что поля ошибок настолько велики, что мы пока не можем точно определить ее для одной галактики.

Что касается вашего вопроса, то на вчерашней пресс-конференции была очень хорошая иллюстрация, которая обрисовывала в общих чертах улучшенную локализацию, которую добавление 3-го детектора (Дева) дало бы для триангуляции положения источника гравитационных волн. К сожалению, я не могу найти копию вчерашней презентации Дэвида, но это одно из изображений, которое он показал, со сравнением полей ошибок, если Virgo тоже была в рабочем состоянии (не показано).

В дополнение к этому они также подтвердили планы добавить к 2025 году 4-ю (KAGRA) и 5-ю (LIGO India) гравитационно-волновые обсерватории, что еще больше улучшит локализацию источников. Ожидается, что улучшения и обновления текущих детекторов также немного улучшат локализацию.

Чтобы точно определить исходное положение гравитационных волн, вам понадобится более 1 интерферометра. Эти интерферометры будут обнаруживать гравитационные волны в разное время. Если мы знаем точное расположение наших интерферометров и время, в которое они улавливают волны, мы можем определить точное местоположение источника.

Я сделал короткое демонстрационное видео об интерферометрах и о том, как с их помощью определять волны. Вы можете проверить это здесь: https://youtu.be/4enCrprmLn8

Хорошего дня!