LISA a eLISA – vesmírný gravitační teleskop
První reálné studie projektu vesmírného detektoru se objevily v osmdesátých letech a postupně se stal jedním z klíčových projektů evropské vesmírné organizace ESA a na přelomu století byl navržen jako společný projekt této organizace a americké organizace NASA. Projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) předpokládal tříramenný gravitační interferometr složený ze tří družice, které by udržovaly mezi sebou vzdálenost pět milionů kilometrů. Půjde zase o interferenci rozděleného svazku koherentního záření (se stejnou vlnovou délkou a stejnou fází), který tak proletí vzdálenost ke dvěma dalším sondám. Pokud bude vzdálenost v jednotlivých ramenech stejná, budou dva rozdělené paprsky fázově posunuty o 180 stupňů a paprsky se budou při interferenci rušit. V případě příchodu gravitační vlny dojde k tomu, že se prostor v jednom směru stlačí a v druhém roztáhne. V tom případě se intenzita kvůli změně v interferenci mění a z této změny lze sledovat i velmi nepatrné změny vzdálenosti v ramenech a tím i průchod gravitačních vln. Pro vysílání je potřeba mít velice výkonné a kvalitní lasery a pro detekci výkonné dalekohledy. Zároveň je třeba extrémně přesně definovat polohu a pohyb tří sond, které budou ramena definovat.
V nedávném článku se psalo o pozemských detektorech LIGO a VIRGO. Ty mají délku ramen mnohem menší. Vesmírný detektor tak umožní zachytit mnohem slabší vlny, ale také vlny s mnohem nižší frekvencí. Zatímco pozemní detektory detekují vlny s frekvencí od desítek až po tisíce hertzů, vesmírný detektor se dostane do oblasti 0,1 až 10 milihertzů. Zatímco pozemské detektory detekují extrémně „katastrofické“ děje, jako je právě splynutí dvou černých děr, vesmírný teleskop by mohl zachytit i gravitační vlny vysílané binárními kompaktními systémy ještě dlouho před tím, než dospějí ke svému konci, velmi hmotné černé díry v centrech galaxií a jejich dynamiku, vývoj hvězdných černých děr a také ozvěny z počátku vesmíru.
Z finančních důvodů americká NASA počátkem roku 2011 od projektu odstoupila. Evropská agentura ESA se v něm rozhodla pokračovat, i když ve zmenšené podobě. Délka ramen se snížila na milión kilometrů a místo tří provozovaných ramen budou jen dvě. Redukovaný projekt dostal název eLISA (evolved LISA, i když by to také mohlo znamenat european LISA). Pro jeho úspěšné dokončení je potřeba otestovat řadu technologií, které jsou na hraně současných technologických možností. Jednou z nich je také přesné určení a definice polohy jednotlivých sond. K tomu testu má sloužit sonda LISA Pathfinder, která se právě nyní dostala na své pracovní místo. Pokud budou testy úspěšné, předpokládá se let samotných tří sond projektu eLISA v roce 2035.
LISA Pathfinder
Sonda LISA Pathfinder, která má prozkoumat a otestovat technologie potřebné pro projekt eLISA, startovala 3. prosince 2015. Tato sonda má pracovat v Lagrangeově libračním bodu 1 soustavy Země a Slunce. Lagrangeovy librační body jsou v místech, kde se vyrovnávají gravitační a odstředivá síla v soustavě dvou těles tak, že malé těleso umístěné v tomto místě nemění polohu vůči těmto dvěma tělesům. Librační bod 1 je mezi nimi. Toto místo je ideální pro pozorování Slunce, protože poloha Slunce a Země vůči sondě se nemění. Proto se do tohoto bodu umisťují sluneční sondy, jako byla třeba družice SOHO. Librační bod 1 je ve vzdálenosti 1 500 000 km od Země a trvalo tři týdny, než se sonda LISA Pathfinder 22. ledna 2016 do tohoto bodu dostala. Po dosažení libračního bodu se motorová sekce oddělila od vědecké. Pak došlo k přesnému umístění sondy na její dráhu kolem libračního bodu.
Sonda obsahuje dvě identické krychle o hmotnost 2 kg, které představují testovací hmotnosti. Každá z nich se bude vznášet ve své vakuové komoře po celou dobu letu. Budou co nejlépe odstíněny od všech vnějších i vnitřních vlivů kromě gravitace a umožní extrémně přesné měření pohybu tělesa v gravitačním poli. Velice speciální slitina zlata a platiny umožňuje odstranění vlivu magnetických polí. Ultrafialové záření je využito k odstranění nebezpečí vzniku elektrostatického náboje na tělesech. Velmi přesné interferometry budou měřit polohu a orientaci těles s přesností okolo 10 pm (10-11 m). Malé motorky pak zajišťují, aby se poloha sondy udržovala tak, aby měla testovací hmotnost v centru komory. Motorky umožňují velice jemnou a plynulou změnu polohy a orientace sondy. Jejich tah umožňuje dosáhnout jemnosti až v řádu mikronewtonu, což je váha zrnka písku na povrchu Země. Celá sonda se tak může pohybovat, jako by ji neovlivňovala jiná síla než gravitační. A přesně to musíme docílit u všech sond detektoru eLISA.
Dne 15. února 2016 se pak podařilo uvolnit první testovací hmotnost z fixačních držáků, které zajišťovaly, aby se během startu a přesunu do libračního bodu nepoškodila. Těleso se tak začalo kontrolovaně vznášet ve své komoře. V dalším dni 16. února by se mělo uvolnit druhého testovacího tělesa. Od prvního března má pak začít přesné měření polohy krychlí a měl by se zahájit program testování. Evropa se tak reálně vydala na cestu k detekci gravitačních vln z vesmíru. Ta bude sice dlouhá, ale pokud se potvrdí měření pomocí detektoru LIGO, mohlo by dojít ke zvýšení její priority a zrychlení. Tento detektor by zahájil opravdu intenzivní rozvoj gravitační astronomie.
Založeno na informacích ze zdrojů ESA.
Byly už konečně přímo pozorovány gravitační vlny?
Autor: Vladimír Wagner (11.02.2016)
Vítejte ve věku gravitační astronomie
Autor: Stanislav Mihulka (12.02.2016)
Detekce gravitačních vln – první dojmy
Autor: Pavel Bakala (12.02.2016)
Diskuze:
Gravitačné vlny
Juraj Chovan,2016-02-16 17:04:01
Pán Wagner, ďakujem za ďalší zaujímavý článok. Zároveň Vás chcem poprosiť, resp. dať námet na napísanie článku na tému ČO tie gravitačné vlny vlastne sú.
V každom z článkov na tému nedávneho objavu, či už tu na Oslovi alebo v iných médiách, je síce v úvode načrtnuté čo gravitačné vlny spôsobuje, avšak zvyčajne príliš povrchne, a častokrát sú na laické vysvetlenie použité rôzne analógie (vlny na vodnej hladine, pohyb gule po napnutej plachte a pod.) o ktorých mám pocit že sú skôr mätúce (tak napríklad gravitačné vlny spôsobuje iba teleso pohybujúce sa so zrýchlením čo je v nesúlade s prezentovanými analógiami).
Vnímam to tak že všetci čitatelia oslavujú budúce udelenie nobelovej ceny za objav storočia, pritom len jeden-dvaja z tisícky (a ja sa medzi nich rozhodne nerátam) majú aspoň trošku správnu predstavu o aký jav ide.
Chápem že je netriviálne spísať pre čitateľov Osla laický výklad na matematický formalizmus tak náročnej teórie ako je VTR, o to viac budem vďačný ak sa o to pokúsite:)
Gravitační vlny
Milan Bačík,2016-02-16 13:55:35
Dobrý den, děkuji za další pěkný článek.
Měl by dvě otázky. Jak je to s vlnovou délkou(frekvencí) gravitačních vln. Pokud dobře chápu, pak LISA bude schopna zachytit gravitační vlny s vlnovou délkou přes 5 milionu km. Ví se jaká část gravitačních vln tuto podmínku spl%nuje ?
Druhá otázka mě pak napadla v souvislosti s minulým článkem, kdy bylo řečeno, že při splynutí dvou černých děr se hmota odpovídající hmotností 3 sluncí proměnila na gravitační vlny. Předpokládám že i po této přeměně gravitační vlny dále generují gravitační a přispívají tak k celkové hmotnosti vesíru. Zajímalo zda jsou gravitační vlny započítávány do hmotnosti běžné (viditelné) hmoty, temné hmoty nebo temné energie ?
Re: Gravitační vlny
Pavel Ouběch,2016-02-16 14:14:44
Bohužel nebude LISA, ale jen eLISA, tedy jen 1 mil. km.
Jinak odpověď na první otázku je řekl bych logická. Grav. vlny téhle vlnové délky může produkovat buď (nejméně) binární soustava, jejíž složky kolem sebe rotují s tak nízkou odpovídající frekvencí nebo asymetrická prudká expanze nebo kontrakce objektu této velikosti.
Druhá otázka - myslím, že energie všech gravitačních vln ve vesmíru je tak nepatrná, že její příspěvek k celkové hmotnosti/energii vesmíru (vymezené jakkoliv velké ale konečné oblasti) nestojí za řeč.
Nevím ale mám takové tušení,
Karel Rabl,2016-02-16 13:20:18
že v naší blízkosti 3-12 světelných let se pohybuje černá díra, kde by se jinak vzaly na zemi těžké prvky, možná to tyhle družice odhalí.
Re: Nevím ale mám takové tušení,
Vojtěch Kocián,2016-02-16 14:01:26
Jak souvisí černá díra s výskytem těžkých prvků v jejím okolí? Jako pozůstatek supernovy, z jejíž trosek se zformovala Sluneční soustava? To moc nesedí především proto, že za dobu její existence by se od "mateřské" černé díry vzdálila rozhodně dál než 12 světelných let. To je tak malá vzdálenost, že ji běžně hvězdy urazí za pouhých pár set tisíc let.
A i kdyby tu něco takového bylo, eLISA nemá moc šancí to odhalit, pokud to není těsný binární objekt. Mnohem větší šanci na takový objev bych dával sledování gravitačních čoček, ale to je v současné době možné snad jen v elektromagnetickém oboru.
Re: Re: Nevím ale mám takové tušení,
Karel Rabl,2016-02-18 13:43:09
Může to být pozůstatek dvojhvězdy slunce a jestliže černá díra má málo "žrádla" vypařuje se Hawkinovým zářením takže se mohla zmenšit klidně na hmotnost Jupitera nebo více Jupiterů a při příznivé konstelaci se při výbuchu, možná třetí hvězdy by se mohla dostat na dostatečně vzdálenou dráhu od slunce i od té hvězdy a k nedostatečnému nasycení této černé díry.Ale jsou to jen úvahy, které mě napadly.
Re: Re: Re: Nevím ale mám takové tušení,
Pavel Brož,2016-02-18 21:36:57
K vypaření černé díry na hmotnost Jupitera určitě nedošlo, protože černé díry běžných velikostí se vypařují extrémně pomalu. Počet let potřebný k vypaření získáte zhruba jako 2*10^66*(M/M_s)^3, kde M je hmotnost černé díry a M_s hmotnost Slunce. Pokud by tedy černá díra měla mít hmotnost Slunce (ve skutečnosti víme, že minimální hmotnost černé díry vzniklé gravitačním kolapsem je větší), tak by to trvalo více než 10^56 krát více, než je současné stáří vesmíru, než by se zmenšila na velikost Jupitera.
Re: Nevím ale mám takové tušení,
Vladimír Wagner,2016-02-16 16:05:45
Počet oběhů Slunce v naši Galaxii za dobu jeho existence je okolo dvaceti. Zároveň je známo, že Slunce je i v relativním vztahu k okolní hmotě v úplně jiném místě než vzniklo a odkud získalo i ty těžké prvky včetně uranu a thoria. Nemusí mít tedy v nějaké blízkosti (mohou být i na úplně opačné straně Galaxie) ty neutronové hvězdy a černé díry, které vznikly při výbuchu supernov, které byly zdroji těžkých prvků na Zemi.
Re: Nevím ale mám takové tušení,
Anton Anton,2016-02-17 14:56:17
Zaujímavá myšlienka.
Prinutilo ma to troška zamyslieť sa. Uplne vylučiť by som sa ju neodvážil.
Už dlšie si astronomovia všimli rôzne poruchy v našej Slnečnej sústavy. Naposledy bol pokus vysvetliť tieto poruchy hypotetickou planétou Nemezis
Napríklad preberalo sa to na linku
: http://www.osel.cz/8653-tym-caltechu-vystopoval-v-hlubinach-slunecni-soustavy-devatou-planetu.html
...Devítka by měla mít hmotnost deseti Zemí a její výstředná oběžná dráha je dvacetkrát dál od Slunce než Neptun, který obíhá Slunce ve vzdálenosti 4,5 miliard kilometrů. Jestli Devítka existuje, tak na takové dráze oběhne Slunce zhruba jednou za 10 až 20 tisíc let. Nová planeta by měla být tak velká, že to nepřipouští žádné pochyby o jejím planetárním statusu. Hmotnost odpovídající 5 tisícům Plutům mluví za vše....
...Batygin s Brownem tvrdí, že existence Devítky může vysvětlit záhadné vlastnosti mnoha ledových těles v Kuiperově pásu, který se rozprostírá za oběžnou dráhou Neptunu. Vysvětluje například velmi podivnou oběžnou dráhu velkého transneptunického tělesa Sedna, jehož průměr dosahuje až dvou třetin průměru Pluta, a které se pohybuje po velmi výstředné dráze...
Infračervená prehliadka nášho okolia WISE ale vylučovala existenciu ťažkej planéty v blízkom okolí nášho Slnka.
Na linku
http://www.osel.cz/7515-teleskop-wise-objevil-tisice-novych-hvezd-ale-zadnou-nemesis.html
...Kevin Luhman z Pensylvánské státní univerzity, který je autorem jedné ze studií, existenci Planety X, Tyche či Nemesis vcelku rezolutně vylučuje. Nic takového ve Sluneční soustavě s velkou pravděpodobností nemáme. Řečí striktních čísel, podle dat projektu WISE ve Sluneční soustavě neexistuje těleso velikosti planety Saturn do vzdálenosti 10 tisíc AU (násobků vzdálenosti Slunce – Země) od Slunce a těleso velikosti planety Jupiter až do vzdálenosti 26 tisíc AU, tedy poměrně hluboko do Oortova oblaku...
Ide si predstaviť že gravitačné poruchy v našej Slnečnej sústave môže spôsobovať aj vzdialenejšia čierná diera.
Ak aj existuje vzdialené planéta Nemezis, tak čo ju dostalo na takú výstrednú drahu?
K tým ťažkým prvkom. Všeobecne sa tvrdí, že ťažké prvky produkuju výbuchy supernov.
Ja si myslím že existuje možno viacej mechanizmov tvorenia ťažkých prvkov. Jedným s nich môže byť Čierná diera! Ešte sme všeličo nepochopili!
Napríklad na linku
http://www.osel.cz/8662-davne-kvasary-ktere-se-zapnuly.html
Není to tak dávno, co jsme se na OSLU podivovali nad kvasary, které se vypnuly, v naprosto nečekaně reálném čase. Fantastická je už jenom ta představa. Obrovský vesmírný behemot, jako je supermasivní černá díra, okolo které relativistickou rychlostí burácí rozžhavená hmota v akrečním disku, a zhasne během pouhých pár pozemských let. Pro astrofyziky dost šokující pozorování z poslední doby ukazují, že to právě takhle funguje. A nejde jenom o zhasínání...
Problém je v tom, že ani jeden z pěti zmíněných zážehů kvasarů, které MacLeodová a spol. vystopovali, se žádným zřetelným splýváním galaxií nesouvisí. A rozhodně by to nešlo během pár let. Takže to nejspíš funguje jinak a hned tu máme zajímavou záhadu.
...
Samozrejme ja mám na mysli menšiu čiernu dieru.
Takže Čierne diery môžu zapnúť vytrysky Jetov zo svojích pólov ako aj vypnuť. Mechanizmy zapnutia a vypnutia sme celkom dobre ešte nepochopili.
Hypotetická Čierna diera by mohla takými vytryskmi Jetov zo svojich pólov nasmerovaných do našej Slnečnej sústavy obohatiť a riadne zahustiť našu sústavy ťažkými prvkami, kovmi.
Jej dočasné prebudenie mohlo súvisieť aj s veľkým vymieraním života na našej Zemi! Lebo pozostatky po supernove, ktorá to zapríčinila astronómovia nezistili.Teoretckí mohlo dočasne zapnutie Jetov takej čiernej diery zlikvidovať aj atmosféru Marsu!
Ťažkých kovov v našej sústave je asi nadpočet aby ho bolo možné vysvetliť iba iba výbuchom dávnej supernovy. V poslednej dobe je aj veľký problém vysvetliť veľké množstvo vody v našej sústave ako aj na Zemi. Vnútri našej Zemi sa zistilo obrovské množstvo vody!
Vodu na Našu Zem ale asi nepriniesli kométy. Lebo z predbežných výskumov je zastupenie vody na kometách a asteroidov iné podľa zastúpenia Deutéria. Naša Zem sa ešte k tomu vysoko pravdepodobne zrazila s planetou Thea veľkosti nášho Marsu! Iba tak možno dostatočne vysvetliť vznik nášho Mesiaca a jeho máličke vzdialovanie sa od Zeme a súčasne viazanú rotáciu! Ale pri takej zrážke sa mala veľká časť vody odpariť. Tak odkiaľ mohla získať naša Zem také množstvo vody na povrchu a pod povrchom? Voda sa dokázala aj na našom Mesiaci, či dokonca veľké množstva vody na Merkúre!
Příliš mnoho signálů?
Vít Výmola,2016-02-16 12:02:06
Podle roadmapy plánovaných úprav LIGO a VIRGO se také jejich citlivost má ještě zvýšit až na úroveň schopnosti detekovat i vlny z binárních systémů. U eLISA to přímo očekáváme.
Bude zajímavé, jak se s takovou citlivostí gravitační observatoře (ano! teď už observatoře) vyrovnají. Událost, jaká byla detekována observatoří LIGO na podzim, byla výjimečná a ojedinělá. Naproti tomu binární systémy produkují gravitační vlny neustále a je jich spousta. Co to asi udělá s přijímaným signálem? Nebude příliš chaotický?
Jistě podobné problémy má třeba radioastronomie, ale ta je směrová a odlišovat signály je možné nasměrováním antén.
Předpokládám, že pro gravitační vlny bude potřeba frekvenční analýza, nějaká forma Fourierovy transformace a podobně. Jednoduché to asi nebude.
Re: Příliš mnoho signálů?
Vít Výmola,2016-02-16 12:19:59
Náhled roadmapy je například zde:
http://www.ligo.org/science/Publication-ObservingScenario/index.php
Nicméně! Teprve až v dostupném článku jsem se dočetl, že udávané (a trochu fantastické) dosahy neplatí pro detekci vln z funkčních binárních systémů (jako je známý PSR1913-16), ale pro detekci vln z jejich připadných splynutí. To je samozřejmě dost podstatný rozdíl.
Děkuji za velice pěkný článek
Pavel Brož,2016-02-16 11:22:04
A také za pochvalu jíž se mi dostalo v příspěvku níže. Napsat článek je ale mnohem pracnější než napsat sebedelší komentář - vím to, sám jsem kvůli tomu napsal jen několik článků, protože je to velice časově náročné, vytvořit dobře strukturovaný text, poprat se se zlomyslně špatně se zarovnávajícími obrázky, někdy i s jejich vytvářením, s dohledáváním, ověřováním a doplňováním informací, atd. atd.. Napsat kvalitní článek jako je tento prostě vyžaduje úsilí i čas, velice si toho vážím.
Teď Vás opravdu nechápu
Vladimír Wagner,2016-02-16 09:09:33
Vážený pane Zikmunde. Přečetl jsem si Vaše upozornění, a protože vím, že k vyrušení při interferenci může dojít pouze při posuvu o 180 stupňů, tak jsem Vám bez toho, že jsem se podíval na svůj text dal za pravdu. Vzhledem k podmínkám při psaní jsem si byl vědom, že jsem mohl udělat dost chyb. Po napsání toho "sypání popele na hlavu" jsem si ten text přečetl a zjistil, že sice nebyl chybně, ale hodilo by se upřesnění, aby bylo vše jasné. Tak jsem to udělal. Víte, snažíme se v diskuzích postupovat co nejférověji, protože si myslím, že to je prostor, kde se dá mnoho vysvětlil a třeba, když se zapojí třeba Pavel Brož, tak je často diskuze lepší článku. Proto mě Vaše obvinění, že nějak manipuluji, hodně zasáhlo. Dovolím si přetisknout dopis, ve kterém píši prosbu
redakci o opravu, aby každý mohl posoudit, zda vše v diskuzi bylo mnou popsáno korektně:
> Ahoj Josefe,
>
> byl jsem upozorněn v diskuzi na ještě jednu chybku.
> I když to vlastně není chyba, ale jen místo, které nemusí
> všichni správně pochopit. Ta noční psaní jsou mor, nejspíše
> tam bude víc chybek.
> Věta:
>
> Pokud bude vzdálenost v jednotlivých ramenech stejná, budou se dva
> paprsky při interferenci rušit.
>
> bych upravil:
>
> Pokud bude vzdálenost v jednotlivých ramenech stejná, budou dva
> rozdělené paprsky fázově posunuty o 180 stupňů a paprsky se budou
> při interferenci rušit.
Re: Teď Vás opravdu nechápu
Vladimír Wagner,2016-02-16 09:18:21
Ještě dodatek. To že Josef, odstranil to sypání popele na hlavu, jsem si všiml až teď. Poprosím ho, ať ho vrátí.
Re: Re: Teď Vás opravdu nechápu
Martin Zikmund,2016-02-16 09:28:10
Mně nejde o to, aby všichni viděli, že Zikmund měl pravdu a p. Wagner ne, a opravy a aktualizace článků jsou samozřejmě činnost bohulibá. Co mě na celé věci zarazilo, bylo manipulování s příspěvky v diskuzi, což mi přijde daleko za hranicí etiky. Každopádně vám děkuji za vysvětlení.
Re: Re: Re: Teď Vás opravdu nechápu
Admin stránky,2016-02-16 11:41:09
Pane Zikmunde, podsouváte autorovi, že přepisoval odpověď. Jak už Vám psal pan Pazdera, pan Wagner diskusní příspěvek nepřepisoval! Systém to neumožňuje. Poděkoval Vám za upozornění na překlep ve třech (!) příspěvcích, z čehož dvakrát se mu nepodařilo udržet vlákno diskuse. Považujeme jedno poděkování panu Zikmundovi za dostatečné, proto ta dvě další chaoticky umístěná byla s mojí pomocí odstraněna. Do textu příspěvků, ani těch Vašich ne, členové redakce nemají možnost zasahovat.
křivost
Pavel Ouběch,2016-02-16 08:55:09
Dobrý den, zajímalo by mne, jak se křivost časoprostoru vyvolaná gravitační vlnou projevuje ve své prostorové a časové složce. Tedy o kolik se zkrátí/prodlouží délka objektu a jaká je velikost časové dilatace, tedy jak se změní rychlost světla (vše vůči vnějšímu pozorovateli, který oba jevy zjišťuje nepřímo). Protože ty hodnoty (změna délky a změna času) nejsou stejné, je možné stavět takové detektory grav. vln, jako LIGO, atd., ale je to možné nějak kvantifikovat (bez pouze obecného odkazu na řešení rovnic OTR)?
Oprava
Martin Kovář,2016-02-16 08:39:32
Dobrý den pan Wagnere.
Ději za článek. Jen ve větě
"V nedávném článku se psalo o pozemských detektorech LISA a VIRGO."
by patrně mělo místo LISA být LIGO.
Fáze
Martin Zikmund,2016-02-16 07:35:20
Zajímavý článek. Jen bych opravil, že dva paprsky se vyruší, pokud fáze jednoho z nich bude posunuta o 180°, ne pokud budou oba ve fázi.
Re: Fáze
Vladimír Wagner,2016-02-16 08:11:14
Máte pravdu, že se interferenci ruší paprsky, které jsou od sebe fázově posunuty o 180 stupňů. V článku je ovšem napsáno, že se rozděluje paprsek, který má světlo se stejnou vlnovou délkou a ve stejné fázi. To je správně. K fázovému posuvu o 180 stupňů dojde až u rozdělených paprsku. I tak díky za upozornění. V textu to zdůrazním.
Re: Re: Fáze
Martin Zikmund,2016-02-16 08:33:23
Pane Wagnere, trochu mě zaskočilo a zamrzelo, že jste si v původní odpovědi sypal popel na hlavu, pak jste článek opravil a na základě změněného textu jste zcela přepsal i vaši odpověď.
Re: Re: Re: Fáze
Josef Pazdera,2016-02-16 09:33:33
Pan Wagner žádnou odpověď nepřepisoval. Odpověděl a poděkoval Vám třikrát. Z toho dvakrát se mu nepodařilo udržet vlákno diskuse. Zdálo se nám, že jedno poděkování panu Zikmundovi stačí. To s poznámkou, že upraví, jsme ponechali. Ta dvě další, poněkud chaoticky umístěné, odstranila redakce osla.
Re: Re: Fáze
Gordon Freeman,2016-02-16 23:24:42
Pokud je vzdálenost v obou ramenech stejná (optická dráha stejná), tak jsou přece paprsky ve fázi. Nebo něco přehlížím?
Re: Re: Re: Fáze
Vladimír Wagner,2016-02-16 23:58:08
Fázový posuv můžete dosáhnout způsobem rozdělení svazku a nebo přesným nastavením ramen. To, co se sleduje a určuje jsou změny v délce a změny v interferenčním obrazci. Vzhledem k tomu, že lépe se nastaví vyrušení intenzity interferencí než maximum při sčítání interferencí, je výhodné začínat nastavením fázového posunu o zmíněných 180 stupňů.
Re: Re: Re: Re: Fáze
Gordon Freeman,2016-02-17 21:59:17
Takže jestli to tedy chápu správně, tak fázový posuv pí tedy vzniká v samotném děliči svazku. V základním stavu dělič tak paprsky fázově posune právě o pí a ramena mají dráhový rozdíl n2pí (bez posunu).
Z textu mi vyplývalo, že fázový posun vzniká rozdílnými drahami v ramenech a ne že vzniká v děliči.
Re: Re: Re: Re: Re: Fáze
Pavel Brož,2016-02-17 23:42:44
Tam je důležité, že k fázovému posuvu o pí dojde pouze pro odraženou vlnu a pouze tehdy, pokud k tomu odrazu dojde z pokovené strany zrcadla. Pokud k odrazu dojde z té druhé strany, k fázovému posunu nedojde. Stejně tak nedojde k fázovému posunu u prošlých vln, bez ohledu na to, ze které strany prošly. Názorně ilustrovano je to např. na obrázku u odstavce Phase shift zde:
https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_splitter
Díky těmto vlastnostem dojde k destruktivní interferenci ve směru k fotodiodě (na zmíněném obrázku by to byl směr dolů pokud by byl laserový zdroj vlevo) právě pro stejně dlouhá ramena (nebo pokud je rozdíl jejich délky násobkem vlnové délky použitého světla).
Zmíněný případ ovšem popisuje jeden typ děliče svazku, u jiných děličů je tomu obecně jinak. To co je podstatné je přesně jak píše Vladimír nastavit tu základní délku tak, aby nastala právě ta destruktivní interference směrem k fotodiodě.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Fáze
Pavel Brož,2016-02-17 23:54:07
Oprava - zmíněný popis platí pro děliče svazků s dielektrickou, nikoliv kovovou reflexní vrstvou, v předchozím příspěvku jsem to omylem obrátil, omlouvám se.
Re: Re: Re: Re: Re: Fáze
Vladimír Wagner,2016-02-18 08:37:23
Díky Pavle. Pavel Brož mě předběhl a opět perfektně odpověděl. Jen bych dodal. V reálu není úplně podstatné, zda je délka ramen úplně stejná (sledují se vzájemné relativní změny délky ramen - zkrácení u jednoho a prodloužení u druhého). Takže musí být nastaveno to vyrušení vlivem interference (posun fází v celém systému musí být o 180 + n*360 stupňů) v základní poloze a pak se pozoruje změna interferenčního obrazu.
Dejte mi pevné body a pak ...
Josef Hrncirik,2016-02-19 07:34:41
Na pevné Zemi je délka ramen interferometru dosti konstantní.
Jaká však bude asi vzájemná rychlost sond, ev. jak málo se bude měnit s časem jejich vzájemná vzdálenost, tj. dálky ramen, tj. jak rychle se budou míhat i bez gravitační vlny interferenční proužky na detektoru (? Hz)?
Jaká je tam finta fnˇ?
Re: Dejte mi pevné body a pak ...
Pavel Brož,2016-02-20 00:48:29
To je bezesporu velice dobrá otázka, a já na ní neumím dobře odpovědět. Dodatečně jsem si načetl pár informací odtud:
https://www.elisascience.org/articles/elisa-mission/distance-measurement
Takže základním principem je to, že na rozdíl od pozemního LIGA se paprsek nebude odrážet zpět (protože se kvůli jeho rozptylu na vzdálenosti 1 milion km z něj zachytí tak malá část, že z odraženého paprsku by se na původní sondě detekoval jen cca jeden foton za tři dny), ale místo toho bude v přijímací sondě vytvořen protiběžný paprsek s fází identickou, jaký měl přijímací paprsek. Tím pádem je jasné, že na cestě prvního paprsku není možné nic změřit, měření se provede až porovnáním fáze detekovaného protiběžného svazku s fází původního svazku - pokud by se za celou dobu tam a zpět vzdálenost mezi oběma sondami měnila lineárně s časem, tak z principu musí být přijatý protiběžný svazek ve fázi s původním, protože během cesty původního paprsku se vzdálenost mezi sondami prodlouží o stejný kus, o jaký se prodlouží při následném návratu protiběžného paprsku. Ve skutečnosti se ale vzájemná vzdálenost sond při jejich oběhu kolem Slunce bude periodicky měnit (teoreticky by si sice daly sice umístit tak přesně, že jejich vzájemná vzdálenost bude konstantní, v praxi to ale není dosažitelné). V tom okamžiku se musíme spolehnout na to, že vzájemné zrychlení obou sond bude během letu paprsku tam a zpět velice malé. Paprsek poletí jednu cestu 3,3 sekundy, tj. protiběžný se vrátí za 6,6 sekund od vyslání toho prvního. Pokud bychom předpokládali, že se během půl roku vzájemná vzdálenost sond zvětší o dejme tomu 1000 km, pak by zrychlení bylo cca 2*10^-8 m/s^2, tedy vzájemná rychlost sond by se během cest obou paprsků změnila až o 1,3*10^-7 m/s, tedy ta „nerovnoměrná“ změna vzdálenosti (tj. ta po odečtení rovnoměrně se měnící vzdálenosti) by měla být cca půl mikrometru, tedy polovina vlnové délky použitého světla. Netuším, jaký bude skutečný rozptyl vzdáleností sond, těch 1000 km jsem vzal jenom jako ilustrativní hodnotu, na níž se dá ukázat, že to s tím míháním se fází nebude až tak horké.
Jinak je docela dobré si uvědomit, že přes o řádově tři řády větší rozměry není eLisa citlivější na „kmitání prostoru“ než LIGO, naopak je o něco méně citlivá, viz obrázek zde:
https://en.wikipedia.org/wiki/File:LISA_and_eLISA_noise_curves.png
Přínos eLisy není ve větší absolutní citlivosti, ale v jiném frekvenčním pásmu detekovaných gravitačních vln – zatímco LIGO má detekovat gravitační vlny s frekvencí cca 1-100 Hz, eLisa má citlivostní pásmo 0,0001-0,1 Hz, ve kterém má být gravitačních vln mnohem více. Největší citlivost eLisy by měla být řádově pro frekvenci 0,001 Hz, při níž bude gravitační vlna jeden příčný směr 500 sekund smršťovat, zatímco kolmý příčný směr stejnou dobu roztahovat, a dalších 500 sekund naopak. Pokud bychom chtěli chytit aspoň šest sedm period gravitační vlny, aby se vůbec dalo hovořit o nějaké šanci na porovnávání průběhu té vlny s modely, tak celkový gravitační event bude trvat nejméně cca 7000 sekund, tedy ten výše uvedený odhad nerovnoměrného nárůstu vzdálenosti by pak narostl z oněch cca půl mikrometru na půl milimetru, tedy na cca 500 vlnových délek použitého světla. Pro jednu půlperiodu gravitační vlny (tedy pro dobu mezi minimálním a maximálním protažením ramen) by to bylo cca 35 vlnových délek použitého světla, což je celkem dost, vzhledem k tomu, že během té půlperiody se v důsledku gravitační vlny o intenzitě 10^-21 (což je maximálně citlivost eLisy) ta vzdálenost jednoho miliónu km prodlouží o pouhých 10^-12 metru, což je milióntina vlnové délky použitého světla. Jak toto chtějí naměřit bez použití Fabry-Perotova interferometru, který funguje na LIGO díky tomu, že světlo se v jeho ramenech 150 krát odrazí, tak to naprosto netuším. Je to každopádně jedna z ukázek vysoké experimentální magie, bez které se tyto špičkové experimenty neobejdou.
Takže jak jsem zmínil hned v první větě, tak na tu otázku neumím odpovědět, tento příspěvek berte jenom jako dílčí přiblížení několika málo vybraných aspektů toho měření.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
