Magyar részvétel az európai gravitációshullám-kísérletekben

Rácz István RMKI Wigner-Virgo csoport

A gravitációs hullámok és az általános relativitáselmélet

Einstein elmélete: 1916-ban jelent meg az első GH témájú tudományos dolgozatAz áltrel a gravitáció egy geometriai elmélete

2

T

c

GG

4

8

Az Einstein-egyenletek kapcsolják össze a téridő görbültségét megjelenítő Gmn

Einstein-tenzort az anyag mozgását megjelenítő T mn energia-impulzus tenzorralA forrásoktól távol, ahol már gyengék a GH-ok (lineáris közelítés), sugárzási mértékben (Tmn ~ 0) úgy írhatók le, mint a téridő geometriájának fénysebességgel terjedő változásai.

01

1 with 2

2

22

htc

hhg

Debrecen, 2013 augusztus 22.

A gravitációs hullámokA téridő geometriájának kicsiny

perturbációi

Mértékrögzítés: kétféle polarizációs állapoth+ és h

3

0000

00

00

0000

),( )(

hh

hhetz kzti h

A gravitációs hullámoknak egy körvonal pontjai mentén egyenletesen elhelyezett tömegpontokra kifejtett hatása

h h+

Debrecen, 2013 augusztus 22.

01

1 with 2

2

22

htc

hhg

4

Neutron csillagokból álló kettős (1974) PSR1913+16: egy pulzár és egy sötét társ

Tőlünk kb. 7 KPc távolságban, vmax/c ~10-3

Távolságuk ~ dʘ , keringési idő ~ 7,75 óra

Hulse and Taylor: 1993 Fizikai Nobel-díj

Az áltrel jóslatai értelmében ennek a rendszernek gravitációs hullámokat kell kibocsátania: a keringési időnek csökkennie kell

A jóslatokat 0.2% pontossággal igazolták a megfigyelések

Léteznek-e egyáltalán?

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az interferometria elvén működő detektorok

Mára az ilyen típusú detektoroknak is egy világméretű hálózata alakult ki

5

KAGRA, Kamioke, 3 km, 2.5 gen.

GEO, Hannover, 600 m

LIGO Livingston, 4 km

Virgo, Cascina, 3 km

LIGO Hanford, 4 km: 2 ITF ugyanabban a

detektorban!

A források helyét csak háromszögelési

eljárásokkal tudjuk meghatározni

A közös mérések: hosszabb megfigyelési időszakok és a hamis

észlelések kizárása

Debrecen, 2013 augusztus 22.

VIRGO• LAPP – Annecy

• NIKHEF – Amsterdam

• GPG – Birmingham

• INFN – Firenze-Urbino

• INFN – Frascati

• INFN – Genoa

• INFN – Perugia

• INFN – Pisa

• INFN – Roma 1

• INFN – Roma 2

• Univ of Warsav

• RMKI - Budapest

A Virgo együttműködés tagjai•IPN – Lyon•INFN – Napoli•OCA – Nice•LAL – Orsay•ESPCI – Paris•APC – Paris •INFN – Padova-Trento

6Debrecen, 2013 augusztus 22.

A működési elv:Az árapályerők által okozott relatív hosszváltozások a

Michelson-féle interferométerrel hatékonyan észlelhetők

7

E1

E2

Ein

02L

hL

F

LL2

0

102L0 104 m földi telepítésű

detektorok esetén

λ ≈ 300 km – valamilyen „trükköt” kell alkalmazni

Fabry-Perotcavity

Effektív karhosszúság:

Debrecen, 2013 augusztus 22.

8

Az elsőgenerációs detektorok névleges érzékenysége és a potenciális források

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Galaxisok ezrei az ábrán jelölt 50 millió fényévnyi távolságon belül

Nagyon kevés a várható esemény: 0.01-0.1 esemény/év (NS-NS)

AZ ELSŐ GENERÁCIÓS DETEKTOROK TERVEZETT ÉRZÉKENYSÉGE AKKORA, HOGY A NEUTRONCSILLAG KETTŐSÖK ÖSSZEOLVADÁSÁT MEGFIGYELHESSÉK AKKOR IS, HA AZ A 15MPc TÁVOLSÁGBAN LÉVŐ VIRGO KLASZTERBEN TÖRTÉNIK

9Debrecen, 2013 augusztus 22.

Ész

lelé

si t

ávol

ság

(a.u

.)

Az interferometrikus elven működő detektorok fejlődése:

A Virgo detektor:

2003

A detektor megépítése és üzembe helyezése

2008

Ugyanazon infrastruktúra

Elérhető a kívánt pontosság

Adatgyűjtés, első

mérések

10

év

Fizikai felsőkorlátok

Debrecen, 2013 augusztus 22.

A második generációs detektorok

11

108 ly

Enhanced LIGO/Virgo+ Virgo/LIGO

Credit: R.Powell, B.Berger

Adv. Virgo/Adv. LIGO

Az első generációs detektorok igazolták, hogy a tervezett mérési pontosság elérhető

A második generációs detektorok lehetővé teszik pl.: A neutroncsillag kettősök

összeolvadására vonatkozó érzékenységi határ 20 MPc-ről

200 MPc-re történő növelését

Évente néhány tucat ilyen típusú megfigyelés várható

(az SNR még viszonylag alacsony!)

A forgás lassulása több ismert pulzár esetében kimérhető lesz

2-3 ÉV ÉPÍTKEZÉS!!! Magyar vonatkozás:

Az advanced Virgo Tier0 rendszere a Wigner Adatcentrumban ???

Szeptemberben indulnak az egyeztetések.

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Kifejlesztettük a CBwaves programcsomagot

Debrecen, 2013 augusztus 22. 12

Csizmadia Péter, Debreczeni Gergely, Rácz István és Vasúth Mátyás (WIGNER FK): Gravitational waves from spinning eccentric binaries

Class. Quantum Grav. 29 (2012) 245002

Olyan kompakt összeolvadó kettősök által kisugárzott gravitációs hullámok meghatározását teszi lehetővé, amelyek spinnel és esetleg nagy excentricitással rendelkeznek.

A poszt-newtoni formalizmus felhasználásával egyidejűleg határozzuk meg a kettős mozgását (ezt 3.5PN rendig bezárólag), valamint az általuk kibocsátott gravitációs hullámformát (ezt 2PN rendig bezárólag).

A kompakt kettősök felfedezésére szakosodott CBC csoport számára olyan hullámforma-bankokat kívántunk kialakítani, melyek képessé teszik a LIGO-Virgo együttműködést az excentrikus, valamint spinnel is rendelkező kettősök, mint források hatékony felismerésére.

A kód a LIGO-Virgo kollaboráció által használt LAL/LALsimulation programcsomag szerves részévé vált.

3. GENERÁCIÓ?A GW detektorok fejlődése: (pl. Virgo)

2003

A detektor megépítés

e és üzembe

helyezése

2008

Sameinfrastructure

A működési elv igazolása

2011

enhanceddetectors

Sameinfrastructure

Az “advanced” technikáktesztelése

2017

Sameinfrastructure

Advanced

detectors

Első detektálás

2022

Lényegében változatlan infrastruktúra(20 év a Virgo esetében, még több a LIGO & GEO600 esetén)

Adatgyűjtés, első

mérések

Precíziós csillagászat

kozmológia ?

13

Ész

lelé

si t

ávol

ság

(a.u

.)

év

A jelenleg alkalmazott infrastruktúra határa

Miért fontos a gravitációs hullámok észlelése és a gravitációshullám-csillagászat megszületése?

visibleInfrared

408MHz WMAP

X-ray g-ray

GRB

GW ?

A kozmoszról kialakított elképzeléseink majdnem teljes egészében az elektromágneses hullámok által közvetített információkon nyugszanak. A csillagok belsejében zajló

extrémen dinamikus folyamatokat csak nagyon áttételesen tudjuk vizsgálni

Az univerzum jelenleg elfogadott modellje értelmében az univerzum 97%-a „sötét” (energia és anyag)

Alig hatnak kölcsön az anyaggal: A forrásoktól induló jelek torzulásmentesen jutnak el a detektorokhoz Információ az univerzum korai

állapotáról? 14Debrecen, 2013 augusztus 22.

0.1mHZ 10mHZ 1 Hz 100HZ 10kHz

4x107 M 4x105 M

4x103 M 40 M 0.4 M

Az f frekvencia / azon feketelyuk kettősök tömege, melyek az összeolvadási frekvenciája f

1st generation

3rd generation

Adv detectors

10-22

10-23

10-24

10-25

h (1/√Hz)Credit: B.Sathyaprakash

2009

2015

2020

2028?

eLISA

15Debrecen, 2013 augusztus 22.

16

~10

0 m

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az ET Magyarországon? 2010 április 2-5: A helyszínkiválasztásában résztvevő holland kutatók

szeizmológiai méréseket végeztek a Gyöngyösoroszi bányában

17

A Mátra a megvizsgált 11 európai lehetséges helyszín közül a három legesélyesebb között van

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Debrecen, 2013 augusztus 22. 18

„A detektor helyszínének kiválasztása során annak szeizmikus jellemzőinél talán fontosabb szerepet játszik majd a detektort

befogadni kész állam kutatóinak, a tudományt finanszírozó szervezeteinek és kormányának összehangolt erőfeszítése.”

Az ET megvalósításának időrendjeA kezdési időpont különféle változók függvénye:

A megvalósítási tervek elkészülésének ideje Az Advanced detektorok első direkt detektálása (2017?)Különféle hivatalos döntési mechanizmusok…

A döntés megszületése 2017-re tehető, míg építkezés kezdete várhatóan 2019 lesz

19

Helyszín kiválasztása

Az alagutak elkészítése

A vákuum-rendszer telepítése

Az első detektor

megépítése

Hangolások és az első mérések

2017 2019 2023 20252021

A második detektor

megépítése

Debrecen, 2013 augusztus 22.

50 év!

A jelenleg elképzelt formációSematikus ábra

20

A teljes infrastruktúra:Kezdeti fázis:

1 detektor (2 ITF) Értelmes fizikai

mérések a feljavított advanced detektorokkal együtt

Részleges kiépítettség: 2 detektor (4 ITF) cross-correlation

A teljes kiépítettség: 3 detektor (6 ITF) A két polarizációs

állapot mérése

Cre

dits

: S. H

ild

Debrecen, 2013 augusztus 22.

Összefoglalás:Az első generációs detektorok igazolták, hogy a

tervezett érzékenység elérhetőA második generációs gravitációshullám-detektorok:

Advanced Virgo: Lehetőség az első direkt detektálásra Az első direkt detektálásra való felkészülésben új kereső algoritmusok

és módszerek kialakítása Az érzékenység növelése szeizmológiai zajok kiszűrésével

A gravitációshullám-csillagászat kezdete az ET megépítése utánra várható Koncepcionális és technikai tervezés Helyszínkiválasztás: A Mátra az egyik lehetséges helyszín

Minél szélesebb körű részvételre lenne szükség és lehetőség a Virgo és az ET együttműködésekben WIGNER FK, MME, MTA CSFK, MFGI, ……… rengeteg feladat és lehetőség

21Debrecen, 2013 augusztus 22.

Köszönöm a figyelmet

22Debrecen, 2013 augusztus 22.