Оптические явления
<<  Объектно-ориентированная модель конструктивных параметров оптической системы Промышленное сотрудничество государств-членов ЕАЭС в сфере производства электронного и оптического оборудования и компонентной базы  >>
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Contents 1.Introduction 2.Setup construction 3.Objectives for
Contents 1.Introduction 2.Setup construction 3.Objectives for
Global network of Detectors
Global network of Detectors
Ligo interferometrs
Ligo interferometrs
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
1915 Theory of G.R. 1916 Einstein predicts gravitational waves (g
1915 Theory of G.R. 1916 Einstein predicts gravitational waves (g
Gravitational Waves (GW) Gravitational waves give fundamental
Gravitational Waves (GW) Gravitational waves give fundamental
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Displacement sensitivity can reach ~10-19-10-20 m, then, for measuring
Displacement sensitivity can reach ~10-19-10-20 m, then, for measuring
Astrophysical sources, expected amplitudes
Astrophysical sources, expected amplitudes
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
GW DETECTORS SENSITIVITY
GW DETECTORS SENSITIVITY
Frequency Range: (50 – 1500) Hz Blind All Sky Searching Sources: -
Frequency Range: (50 – 1500) Hz Blind All Sky Searching Sources: -
Bursts
Bursts
Coalescing Binaries
Coalescing Binaries
Pulsars
Pulsars
Cosmological Stochastic Background
Cosmological Stochastic Background
LIGO Scientific Runs (2000 – 2007) S1 – (08-09) 2000 y. ( noise 100
LIGO Scientific Runs (2000 – 2007) S1 – (08-09) 2000 y. ( noise 100
Non modeled Bursts outputs of two GW detectors: vectors a , b total
Non modeled Bursts outputs of two GW detectors: vectors a , b total
S.Klimenko, GWDAW14, January 26, 2010, Rome, LIGO-G1000033-v8
S.Klimenko, GWDAW14, January 26, 2010, Rome, LIGO-G1000033-v8
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
?gw < 6.9 10-6
?gw < 6.9 10-6
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Results S4 , S5 , [last run S6 (04
Results S4 , S5 , [last run S6 (04
Существенные результаты LIGO
Существенные результаты LIGO
Cold Spring Damping of Thermal Noise in the LIGO setup
Cold Spring Damping of Thermal Noise in the LIGO setup
T?0 , Q
T?0 , Q
Quantum behaviour of macroscopic test body (
Quantum behaviour of macroscopic test body (
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
LIGO’s Hanford Observatory
LIGO’s Hanford Observatory
GW- интерферометр как «квадрупольный осциллятор, управляемый холодной
GW- интерферометр как «квадрупольный осциллятор, управляемый холодной
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Результаты измерений на интерферометре Н1
Результаты измерений на интерферометре Н1
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
GW-experiment: News
GW-experiment: News
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими

Презентация на тему: «Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой». Автор: Rudenko. Файл: «Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой.ppt». Размер zip-архива: 4443 КБ.

Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой

содержание презентации «Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой.ppt»
СлайдТекст
1 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими

Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими

интерферометрами с большой базой В.Н.Руденко (ГАИШ МГУ, Москва) «Прецизионная физика и фундаментальные физические константы» ИТФ им.А.Ф.Иоффе, С.Петербург, 6-10 дек.2010 г.

2 Contents 1.Introduction 2.Setup construction 3.Objectives for

Contents 1.Introduction 2.Setup construction 3.Objectives for

observation 4.Recent results 5.Cold damping spring. 6.Advanced instrument at SQL

3 Global network of Detectors

Global network of Detectors

Coherent Analysis: why? -Sensitivity increase -Source direction determination from time of flight differences -Polarizations measurement -Test of GW Theory and GW Physical properties Astrophysical targets - Far Universe expansion rate Measurement -GW energy density in the Universe -Knowledge of Universe at times close to Planck’s time

TAMA 300

Nautilus Auriga Explorer

GEO 600

VIRGO

L LIGO

4 Ligo interferometrs

Ligo interferometrs

5 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
6 1915 Theory of G.R. 1916 Einstein predicts gravitational waves (g

1915 Theory of G.R. 1916 Einstein predicts gravitational waves (g

w.) 1960 Weber operates the first detector 1970 Construction of cryogenic detectors begins 1984 Taylor and Hulse find the first indirect evidence of g.w. (Nobel Prize 1993) 2003 First light in the large interferometer 2005-2009 First meaninful results (upper limits) 2015 Start upgraded machines first

7 Gravitational Waves (GW) Gravitational waves give fundamental

Gravitational Waves (GW) Gravitational waves give fundamental

informations on the Universe. The four fundamental interactions coupling constants are: Strong E.M. Weak Gravitational ?s=1 e2=1/137 GFM2=10-5 GM2=10-39 Some consequences of G smallness: 1)In stellar collapses Neutrinos undergo ~103interactions before leaving the collapsing star, GW<<1. 2)After Big-Bang , electromagnetic waves decouple from hot matter after 13000 years, neutrinos after 1s, GW only after Planck’s Time (10-43s) . 3) It is extremely difficult to detect them.

8 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
9 Displacement sensitivity can reach ~10-19-10-20 m, then, for measuring

Displacement sensitivity can reach ~10-19-10-20 m, then, for measuring

?L/L~10-22 LA and LB should be km long.

10 Astrophysical sources, expected amplitudes

Astrophysical sources, expected amplitudes

GW- luminosity:

only relativistic stars are effective radiators

GW amplitude estimate for NS

frequency:

11 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
12 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
13 GW DETECTORS SENSITIVITY

GW DETECTORS SENSITIVITY

14 Frequency Range: (50 – 1500) Hz Blind All Sky Searching Sources: -

Frequency Range: (50 – 1500) Hz Blind All Sky Searching Sources: -

compact binary systems evolution (inspiral, merging, ring down) - supernova collapse events - continuous GW radiation (Pulsars) - stochastic GW background - Triggered Search ( Astro-gravity associations)

15 Bursts

Bursts

Classical sources: supernovae Waveform poorly known Several events/year in the Virgo cluster Possibly detectable only within our Galaxy Generally, whatever can cause short ( < 1s ) GW impulses Include exotic things (strings) or classical things (NS, BH ringdowns)

15

16 Coalescing Binaries

Coalescing Binaries

Source: coalescence of compact binary stars (BNS, BBH, NS/BH)? Waveform accurately modeled in the first and last phase Allows matched filtering Less known in the “merger” phase Interesting physics here, for instance for BNS Rate very uncertain A few events/year could be accessible to the LSC-Virgo network

16

17 Pulsars

Pulsars

Distorted NS, emitting “lines” of GW radiation Things greatly complicated by the Doppler effect Contrary to intuition, by the far the most computing intensive search Thousands of known potential sources in our Galaxy Most probably below detection threshold Many more yet unknown NS could generate a detectable signal

17

18 Cosmological Stochastic Background

Cosmological Stochastic Background

Potential access to very early Universe

18

19 LIGO Scientific Runs (2000 – 2007) S1 – (08-09) 2000 y. ( noise 100

LIGO Scientific Runs (2000 – 2007) S1 – (08-09) 2000 y. ( noise 100

times projected level) S2 , S3 - during 2003 y (bad seismic isolation) S4 - (02-03) 2005 y ( duty cycle 70%, but selected 15,5 days data !) joint operation of 3 interferometers S5 - (06. 2006 - 10.2007) main results

20 Non modeled Bursts outputs of two GW detectors: vectors a , b total

Non modeled Bursts outputs of two GW detectors: vectors a , b total

energy : E = normalized and integrated at the it is reduced to variables: Burst’s Excess Power: Burst’s Cross Power:

Basic searching algorithms

21 S.Klimenko, GWDAW14, January 26, 2010, Rome, LIGO-G1000033-v8

S.Klimenko, GWDAW14, January 26, 2010, Rome, LIGO-G1000033-v8

Results of the all-sky search for gravitational wave burst signals are presented for the first joint LIGO (S5) and Virgo VSR1 runs in 2006-2007. ?The analysis has been performed with three different search algorithms in a wide frequency band between 50-6000 Hz. No plausible GW candidates have been identified. ?As a result, a limit on the rate of burst GW signals (combined with the LIGO results from the first S5 year) has been established: less than 2 events per year at 90% confidence level with sensitivity in the range 6-20 ? 10?22 Hz?1/2 ? This rate limit is increased by more than an order of magnitude compared to the previous LIGO runs.

22 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
23 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
24 ?gw < 6.9 10-6

?gw < 6.9 10-6

What we known about SBGW from BBN bound ? ?gw=(1/?c)d?gw/dlog(f) h0 ?gw , h0=0.73(3) ?gw = ? d log(f) [d?gw/dlog(f)] • from the balance of H and ? at nucleosynthesis, (H2 =(8?G/3) ?) • is a bound on the total energy density, integrated over all frequencies. fmin ?10-10 Hz fixed by the horizon size at BBN

• N? = effective number of neutrino species, parametrizes any extra energy contribution • in the SM, N? ~ (4.4 – 3.046) (due to residual interaction ? with e± QED effects). •So in order of magnitude at time of NS there were no more GWs than photons • it can be translated into a bound on the integrand

25 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
26 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
27 Results S4 , S5 , [last run S6 (04

Results S4 , S5 , [last run S6 (04

09 – 09.10)] Unmodeled bursts : upper limit ? < 0.15 day -1 , h rss < 10-20 Hz – ? Inspiral Bursts : upper limit ? Event Rate: R

R = (Number of events/ year. galaxy)

1 event per 20-300 years for NS binary for dH ~ 60 Mpc 1 event per 20-2000 years for binary ~ 5 M0 1 event per 3 – 30 years for binary ~ 10 M0 Pulsars : f ~ 150 Hz , h ~ 10-25 , ? < 10-5

Stochastic background: f ~(50 – 100) Hz, ? < 6.5 10^{-5}

28 Существенные результаты LIGO

Существенные результаты LIGO

1. Новый (значимый) верхний предел на ГВ-сигнал от гамма-всплесков. Во время серии S5 имело место событие: GRB 070201 – короткий г-всплеск (< 2 сек), положение источника отождествлено с М31 (~770 кпс) (reg. Integral, Messenger, Swift) fl.~10^{-5}erg/cm^{2}. В окне 180 сек. вокруг tarv искали сопровождающий ГВ-импульс. С вероятностью ~95% ГВ сигнал не обнаружен. Предел на его интенсивность в модели NS, BH – “binary coalescence” оценен как E < 4.4 10^{-4} M0c2 (1M0<m1<3M0 , 3M0<m2<40M0) f~150 Hz (теор. pасчет для ВС NS допускает E ~10^{-2} !) 2. Перекрытие «предела замедления» на ГВ излучение пульсаров PSR BO531+21, PSR JO534-22, Crab Neb. (?~30 Hz, d?/dt~-3 10^{-10} Hz/s ) Теор. оценка по “spin-down rate” даёт hgw ~ 1.4 10^{-24}. Наблюдения S5, 3 мес.(~200 дн.) на частоте ? ~ 60 Hz дали hgw<3.4 10^{-25} или для степени несферичности: ? < 1.8 10^{-4} 3. Перекрытие предела стохастического ГВ-фона по нуклеоситезу в ранней Вселенной теория нуклеосинтеза дает ограничение на интегральную (по частоте) плотность ГВ фона из предположения, что гравитонов было не больше, чем фотонов; это даёт при равномерной спектральной плотности ГВ фона ?gw ~ 9.7 10^{-6}. Экспериментально за время наблюдения ~200 дней на детекторах H1, L1 получена оценка ?gw ~ 6.9 10^{-6} с достоверностью 95%

29 Cold Spring Damping of Thermal Noise in the LIGO setup

Cold Spring Damping of Thermal Noise in the LIGO setup

Observation of quantum effects such as ground state cooling, quantum jumps, optical squeezing, and entanglement that involve macroscopic mechanical systems are the subject of intense experimental effort. The first step toward engineering a non-classical state of a mechanical oscillator is to cool it, minimizing the thermal occupation number of the mode. Any mechanical coupling to the environment admits thermal noise that randomly drives the system’s motion, as dictated by the fluctuation–dissipation theorem, but ‘cold’ frictionless forces, such as optical or electronic feedback, can suppress this motion, hence cooling the oscillator.

New Journal of Physics 11 (2009) 073032, B Abbott1 et.al. (LSC)

30 T?0 , Q

T?0 , Q

? , (H?0)

Quantum standard:

LIGO displacement sensitivity: S5 scientific run

Thermal standard:

31 Quantum behaviour of macroscopic test body (

Quantum behaviour of macroscopic test body (

) V.B.Braginskii. Physics Uspekhi, v.48, 595, 2005 a pendulum in gravity field, mode of acoustical resonator etc. can demonstrate quantum features under the following requirement:

Dodonov V.V., Manko V.I., Rudenko V.N., Quantum Electronics, v.7 (№10), p.2124, 1980 «Quantum properties of macroscopic resonator with a high quality factor» a) classical calculation mean values and a system evolution corresponds to quantum calculation with the accuracy ~ O(1/n) b) transition probability requires only the quantum calculation; c) observation of «energy steps» requires unrealistic measurement accuracy (Q ~ 1018 )

Realistic objective is a preparation of macroscopic system (oscillator) in the ground energetic state, i.e. with n ~ 1. «procedure of super cooling» in expectation of «macroscopic quantum effects»

instead of usual condition

32 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
33 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
34 LIGO’s Hanford Observatory

LIGO’s Hanford Observatory

The detector shown comprises a Michelson interferometer with a 4 km long Fabry–Perot cavity of finesse 220 placed in each arm to increase the sensitivity of the detector. Each mirror of the interferometer has mass M = 10.8 kg, and is suspended from a vibration-isolated platform on a fine wire to form a pendulum with frequency 0.74 Hz, to shield it from external forces

To minimize the effects of laser shot noise, the interferometer operates with high power levels; approximately 400W of laser power of wavelength 1064 nm is incident on the beam splitter, resulting in over 15kW of laser power circulating in each arm cavity. The present detectors are sensitive to changes in relative mirror displacements of about 10?18 m in a 100 Hz band centered around 150 Hz (figure 2).

Differential arm cavity motion, which is the degree of freedom excited by a passing gravitational wave, and hence also the most sensitive to mirror displacements. This mode corresponds to the differential motion of the centers of mass of the four mirrors, xc = (x1 ?x2)?(x3 ?x4), and has a reduced mass of Mr = 2.7 kg.

35 GW- интерферометр как «квадрупольный осциллятор, управляемый холодной

GW- интерферометр как «квадрупольный осциллятор, управляемый холодной

электронно-оптической жесткостью (пружиной)»

координата ц.масс ХC = (Х2 – Х1) – (Х3 – Х4) , приведенная масса Мr ~ 2.7 kg наблюдаемый сигнал ХS = XC – XN (тепловой шум зеркала + шум импульса фотонов)

Динамика

Эл.-Опт. Пружина

Осциллятор управляется электронно-оптической жесткостью

При

36 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
37 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
38 Результаты измерений на интерферометре Н1

Результаты измерений на интерферометре Н1

Advanced LIGO (2015) – планирует снижение эффективного шумового уровня в 20 – 30 раз. Это позволит вплотную приблизиться к реализации макроскопического осциллятора с флуктуациями энергии вблизи низшего энергетического состояния, т.е. эффективность искусственного охлаждения достигнет квантового предела. Классические измерительные методы перестанут работать, потребуется практическое развитие методов т.н.«квантовых не возмущающих измерений».

39 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
40 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
41 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
42 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
43 GW-experiment: News

GW-experiment: News

Fig. 1. Advanced Virgo sensitivity curve compared with Virgo and LIGO design and current bar sensitivity. Violin modes are not displayed for clarity

44 Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими
«Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой»
http://900igr.net/prezentacija/fizika/pretsizionnye-izmerenija-gravitatsionnykh-vozmuschenij-opticheskimi-interferometrami-s-bolshoj-bazoj-262544.html
cсылка на страницу
Урок

Физика

134 темы
Слайды
900igr.net > Презентации по физике > Оптические явления > Прецизионные измерения гравитационных возмущений оптическими интерферометрами с большой базой