Virgo–Polgraw


Tematyka badań
  • Obserwacje fal elektromagnetycznych w koincydencji z falami grawitacyjnymi. Celem projektu EM Follow-up współpracy LIGO-Virgo jest poszukiwanie przejść optycznych związanych z kandydatami na fale grawitacyjne. Wiele z potencjalnie wykrywalnych źródeł fal grawitacyjnych (zlanie się układu podwójnego gwiazd neutronowych, supernowa, ...) może oprócz emisji fal grawitacyjnych skutkować rozbłyskiem optycznym (fale elektromagnetyczne). Zaobserwowanie fali grawitacyjnej i rozbłysku optycznego związanych z procesem astrofizycznym może prowadzić do bardzo ciekawych rezultatów naukowych. Projekt EM Follow-up jest prowadzony wspólnie przez współpracę LSC-Virgo i partnerów astronomicznych (ponad 60 zespołów).

    Polski projekt astronomiczny Pi of the Sky bierze czynny udział w poszukiwaniach przejść optycznych związanych z kandydatami na fale grawitacyjne w danych sieci detektorów Advanced LIGO i Advanced Virgo. Sieć robotycznych teleskopów Pi of the Sky (CFT PAN, UW, NCBJ) składa się z dwóch obserwatoriów umieszczonych na dwóch półkulach. Na półkuli południowej obserwatorium jest umieszczone w San Pedro de Atacama (SPdA) w Chile. Na półkuli północnej obserwatorium jest umieszczone jest nieopodal Huelvy (Instituto National de Technica Aeroespecial - INTA) w Hiszpanii. Teleskopy Pi of the Sky wyróżniają się na tle innych teamów astronomicznych bardzo dużym polem widzenia, które umożliwia szybki skan nieba w poszukiwaniu rozbłysków optycznych.

    Analiza danych zebranych przez teleskopy Pi of the Sky jest wspólnym projektem grupy badawczej Pi of the Sky i grupy Polgraw. Pi of the Sky uczestniczyło już w podobnym projekcie LSC-Virgo, Looc-Up (2009-2010), którego celem było poszukiwanie rozbłysków optycznych związanych z kandydatami na fale grawitacyjne w poprzedniej generacji detektorów LIGO i Virgo. Wyniki projektu Looc-Up zostały opublikowane w pracach: A&A 539, A124 (2012) i ApJS 211 (2014) 7.

  • Budowa Advanced Virgo. Nasi inżynierowie współpracowali przy tworzeniu komponentów aktywnego systemu tłumienia drgań sejsmicznych SAT. We współpracy z firmą Smart Instruments opracowaliśmy, również na potrzeby AdVirgo, kontrolery i układy wykonawcze do badania układów termicznej kompensacji krzywizny lustra metodą kontaktową TDM (Thermally Deformable Mirror), oraz metodą projekcji podczerwieni CHRAC (Central Heating Residual Aberration Correction System). Aktualnie pracujemy nad opracowaniem nowego, modułowego systemu sterowania dla tłumików drgań sejsmicznych, będącego rozwinięciem obecnie stosowanych układów. Równocześnie złożyliśmy wniosek grantowy na opracowanie i implementację systemu zbierania danych pomiarowych i obróbki sygnału na potrzeby obliczania i redukcji szumów newtonowskich w interferometrze Virgo.

  • Periodyczne fale grawitacyjne. Deformacja rozkładu masy rotującej zwartej gwiazdy, wywołana napięciami elastycznymi lub nieosiowosymetrycznym rozkładem pola magnetycznego jest obiecującym źródłem periodycznych fal grawitacyjnych (o częstości proporcjonalnej do częstości rotacji gwiazdy). Obecnie znamy ponad 2000 pulsarów: obracających się wokół własnej osi gwiazd neutronowych z silnym polem magnetycznym, z których część  znajduje się w układach podwójnych. Całkowitą liczbę  gwiazd neutronowych w Galaktyce szacuje się na ok. sto milionów gwiazd. Do zbadania tej ogromnej populacji w większości niewidocznych w promieniowaniu elektromagnetycznych gwiazd grupa Virgo-Polgraw rozwija zestaw kodów analizy statystycznej danych. Jednocześne poszukujemy fal grawitacyjnych ze znanych źródeł (np. pulsary w mgławicy Krab i Żagiel), a także, używając nowoczesnych technik zrównoleglania obliczeń (MPI, OpenMP, akceleratory graficzne GPU) na największych klastrach komputerowych świata, prowadzimy przegląd całego nieba we wszystkich częstościach w zakresie czułości detektorów LIGO i Virgo w poszukiwaniu nieznanych źródeł (zob. stronę projektu Polgraw All-sky i dokumentację).

  • Modelowanie astrofizycznych źródeł fal grawitacyjnych - układy podwójne. Układy podwójne złożone ze zwartych obiektów: gwiazd neutronowych bądź czarnych dziur, są jednymi z najważniejszych źródeł fal grawitacyjnych dla detektorów interferometrycznych LIGO i Virgo. Układy takie emitują fale grawitacyjne o rosnących z czasem amplitudzie i częstotliwości. Standardową metodą służącą do wykrywania w szumie detektora słabych na ogół sygnałów wywołanych przez fale grawitacyjne jest metoda filtru dopasowanego. Metodę tę można zastosować, o ile wcześniej wyznaczy się postać sygnałów, które będą poszukiwane w danych. Zbiór takich wcześniej przygotowanych sygnałów tworzy bank filtrów. Konstrukcja banku filtrów dla sygnału pochodzącego ze zlewającego się układu podwójnego oznacza konieczność rozwiązania, z dostatecznie dobrą dokładnością, relatywistycznego zagadnienia dwóch ciał, czyli znalezienia ruchu i promieniowania grawitacyjnego układu dwóch ciał oddziałujących grawitacyjnie zgodnie z ogólną teorią względności. Istnieją dwie klasy metod rozwiązywania tego zagadnienia: metody analityczne polegające na perturbacyjnym rozwiązywaniu równań Einsteina za pomocą, na przykład, przybliżenia postnewtonowskiego, oraz metody numeryczne.

    Koszty obliczeniowe związane z numerycznym rozwiązywaniem równań Einsteina opisujących zwarte układy podwójne są tak duże, że w najbliższym czasie skonstruowanie banku filtrów służących do wykrywania sygnałów ze zlewających się układów podwójnych w oparciu o wyniki wyłącznie numeryczne nie będzie możliwe. Otrzymane do tej pory wyniki numeryczne pozwoliły na konstrukcję pewnej liczby filtrów i porównanie ich z filtrami skonstruowanymi w oparciu o wyniki postnewtonowskie: pokazano, że filtry „numeryczne” i „postnewtonowskie” zgadzają się bardzo dobrze w obszarze odpowiadającym adiabatycznej fazie ruchu układu poruszającego się po orbitach kwazikołowych (w tej fazie ruchu orbity ciał tworzą gęsto nawinięte spirale o powoli zmniejszających się rozmiarach). Dlatego jednym z rozwiązań jest wykorzystanie filtrów hybrydowych, będących połączeniem filtrów skonstruowanych w oparciu o przybliżone wyniki postnewtonowskie (opisujące wczesną fazę ewolucji układu) z numerycznie obliczonymi filtrami związanymi z późnymi fazami ewolucji (czyli z fazą zlewania się obiektów i gasnącymi drganiami ‘wypadkowej’ czarnej dziury, które mogą być dobrze opisane przez tzw. kwazinormalne mody drgań czarnej dziury Kerra).

    Wyprowadziliśmy, korzystając z formalizmu kanonicznego Arnowitta-Desera-Misnera, hamiltoniany układu 2ch nierotujących zwartych ciał w 3cim i 4tym rzędzie postnewtonowskim (3ci rząd postnewtonowski opisuje poprawki rzędu (v/c)6 do grawitacji newtonowskiej, gdzie v jest typową prędkością orbitalną ciał w układzie, zaś c jest prędkością światła, natomiast 4ty rząd postnewtonowski to poprawki rzędu (v/c)8 do grawitacji newtonowskiej). Znalezione również zostały pewne poprawki opisujące wpływ własnych momentów pędu ciał (czyli ich spinów) na ich ruch orbitalny (tego rodzaju zjawiska nazywają się w fizyce oddziaływaniem spin-orbita).