Virgo–Polgraw


Nowości i tematyka badań

Virgo gratuluje prof. Rainerowi Weissowi, Barry’emu C. Barishowi oraz Kipowi S. Thornowi otrzymania nagrody Nobla 2017 z fizyki!

03.10.17 - Zespół Virgo gorąco gratuluje Rainerowi Weissowi, Barry’emu C. Barishowi oraz Kipowi S. Thornowi nagrody Nobla 2017 z fizyki za ,,za decydujący wkład w powstanie detektora LIGO i obserwacje fal grawitacyjnych". Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych powstałych przez połączenie się dwóch czarnych dziur o masach gwiazdowych w odległości ponad miliarda lat świetlnych od Ziemi została ogłoszona przez współpracę konsorcjów LIGO i Virgo 11 lutego 2016 roku, pięć miesięcy po obserwacji GW150914.  

Jestem zachwycony tym, że tegoroczna Nagroda Nobla została przyznana za badania nad falami grawitacyjnymi, mówi profesor Jo van den Brand z instytutu Nikhef i VU University Amsterdam, rzecznik konsorcjum Virgo Collaboration. Wykrycie tych niesłychanie słabych zmarszczek czasoprzestrzeni jest nadzwyczajnym osiągnięciem. Zapoczątkowuje ono nowy rozdział w naszych badanich Wszechświata.

Od czasu pierwszej obserwacji trzy inne sygnały, związane z falami grawitacyjnymi wyworzonymi podczas zderzeń czarnych dziur, zostały zarejestrowane. Najnowsza z tych detekcji miała miejsce 14 sierpnia 2017 roku i była pierwszą detekcją równocześnie dokonaną za pomocą trzech detektorów: dwóch detektorów Advanced LIGO i detektora Advanced Virgo, które wspólnie zbierały dane przez cztery tygodnie począwszy od 1 sierpnia 2017 roku.

Pierwsze obserwacje fal grawitacyjnych potwierdzają ważne przewidywania ogólnej teorii względności, sformułowanej przez Alberta Einsteina w roku 1915. Są one kulminacją dekad wytężonej pracy o charakterze zarówno teoretycznym jak i eksperymentalnym. Posiadanie globalnej sieci złożonej z trzech detektorów otwiera nowe perspektywy dla astronomii wieloaspektowej (multi-messenger astronomy), dodaje Federico Ferrini, dyrektor European Gravitational Observatory (EGO), gdzie znajduje się detektor Advanced Virgo.


Globalna sieć trzech detektorów LIGO-Virgo otwiera nową erę badań fal grawitacyjnych wspólnie obserwując zlewanie się układu podwójnego czarnych dziur

27.09.17 - Konsorcja Virgo Collaboration i LIGO Scientific Collaboration ogłaszają pierwszą wspólną detekcję fal grawitacyjnych. Odkrycie to ujawnia naukowy potencjał sieci złożonej z trzech, a nie dwóch jak do tej pory, detektorów fal grawitacyjnych, wyrażony przez lepszą lokalizację źródła fal grawitacyjnych na niebie i historycznie pierwszy pomiar polaryzacji tych fal. Trzy detektory dokonały swojej obserwacji 14 sierpnia 2017 o godz. 10:30:43 czasu UTC. Zarejestrowane fale grawitacyjne zostały wyemitowane w czasie ostatnich chwil przed połączeniem się dwóch czarnych dziur o masach około 31 i 25 mas Słońca i położonych w odległości ok. 1,8 mld lat świetlnych od nas. Nowo powstała rotująca czarna dziura ma masę około 53 mas Słońca, co oznacza, że w czasie zlewania się czarnych dziur około 3 masy Słońca zostały zamienione w energię wypromieniowanych fal grawitacyjnych.

Detektor Advanced Virgo dołączył do kampanii obserwacyjnej O2 1-szego sierpnia 2017 roku o godzinie 10:00 czasu UTC. Nastąpiło to po zakończeniu wieloletniego projektu modernizacji tego detektora oraz po miesiącach intensywnej pracy nad zwiększaniem jego czułości. Wykryty sygnał został zaobserwowany w czasie rzeczywistym w danych zebranych przez każdy z trzech detektorów projektów LIGO i Virgo. Chociaż detektor Advanced Virgo jest aktualnie mniej czuły od detektorów LIGO, dwa niezależne algorytmy stosowane do wykrywania sygnałów w danych wykorzystujące informacje gromadzone przez wszystkie trzy detektory, w jednoznaczny sposób pokazały, że dane zebrane przez detektor Advanced Virgo zawierają znaczący sygnał.

Objętość obszaru Wszechświata, w którym z dużym prawdopodobieństwem znajduje się źródło zarejestrowanego sygnału maleje ponad 20-krotnie w sytuacji, gdy sygnał jest wykrywany przez sieć trzech detektorów, w porównaniu z sytuacją, w której sygnał jest zarejestrowany przez dwa detektory. Również obszar na niebie, w którym z dużym prawdopodobieństwem znajduje się źródło sygnału GW170814, ma rozmiar tylko 60 stopni kwadratowych, czyli jest 10-krotnie mniejszy niż byłby, gdyby sygnał został wykryty tylko przez detektory LIGO. Udział detektora Advanced Virgo poprawia również dokładność, z jaką można wyznaczyć odległość do źródła sygnału. Możliwość lokalizacji źródła w mniejszej objętości jest bardzo ważna, ponieważ spodziewamy się, iż w czasie zlewania się niektórych układów zwartych obiektów – w szczególności tych zawierających gwiazdy neutronowe – będzie również wytwarzane, oprócz fal grawitacyjnych, promieniowanie elektromagnetyczne o szerokim widmie. Dokładna informacja o położeniu źródła na niebie umożliwiła 25 zespołom obserwacyjnym poszukiwanie sygnału elektromagnetycznego związanego z sygnałem zarejestrowanym przez LIGO i Virgo. Wynik tych poszukiwań był negatywny, zgodnie z tym czego się spodziewamy w przypadku procesu zlewania się czarnych dziur.

Położenie detektora Advanced Virgo na Ziemi, odmienne od detektorów LIGO, pozwala testować inne przewidywania ogólnej teorii względności niż do tej pory, np. umożliwia badanie polaryzacji fal grawitacyjnych. Wstępna analiza sygnału GW170814 pozwala przetestować dwa skrajne przypadki: z jednej strony hipotezę, że fala posiada jedynie polaryzację dopuszczoną przez ogólną teorię względności; z drugiej zaś strony przypuszczenie, że polaryzacja fali jest całkowicie niezgodna z tą teorią. Analiza danych pokazała, że przewidywania teorii Einsteina są zgodne z obserwacjami.

Szczegóły:

Dane:


25 sierpnia 2017 roku: koniec niezwykle ciekawej kampanii obserwacyjnej LIGO-Virgo O2

25.08.17 - Projekty naukowe Virgo i LIGO zakończyły prowadzone od 30 listopada 2016 roku wspólne obserwacje w kampanii O2 w poszukiwaniu fal grawitacyjnych przy użyciu początkowo dwóch detektorów LIGO, a od pierwszego sierpnia 2017 roku również trzeciego, europejskiego detektora Virgo. Podczas obserwacji w danych detektorów LIGO i Virgo zidentyfikowano za pomocą wstępnych analiz kilka bardzo obiecujących sygnałów-kandydatów. Informacje o tych sygnałach zostały wysłane do stowarzyszonych obserwatoriów astronomicznych. Obecnie trwają prace nad potwierdzeniem astrofizycznego pochodzenia sygnałów-kandydatów i określeniem poziomu wiarygodności sygnału przed przedstawieniem końcowych wyników społeczności naukowej oraz szerszej publiczności.


VIRGO rozpoczyna wspólne z LIGO zbieranie danych w kampanii obserwacyjnej O2

01.08.17 - W dniu pierwszego sierpnia 2017 roku o godzinie 11:00 europejski detektor VIRGO oficjalnie dołączył do kampanii obserwacyjnej O2 (Observational Run 2), rozpoczynając zbieranie danych wspólnie z dwoma amerykańskimi detektorami LIGO. To ważne osiągnięcie dokonane przez konsorcjum VIRGO jest wynikiem wieloletniego programu modernizacji detektora VIRGO, którego podstawowym celem było znaczące poprawienie czułości detektora. Więcej informacji.


GW170104: Trzecia bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych

01.06.17 - Detektory Advanced LIGO zarejestrowały 4 stycznia 2017 roku zderzenie się składników układu podwójnego czarnych dziur o masach około 30 i 20 mas Słońca, które doprowadziło do powstania czarnej dziury o masie 49 mas Słońca i spinie wynoszącym około 0,64, w odległości około 880 Mpc (przesunięcie ku czerwieni z=0,18). Jest prawdopodobne, że co najmniej jedna z czarnych dziur kręciła się odwrotnie do kierunku ruchu orbitalnego. Detekcja GW170104 jest pierwszą, która dostarcza dowodów na tego typu konfigurację. Pomiar został także użyty do przeprowadzenia testów ogólnej teorii względności i oszacowania masy grawitonu.

Szczegóły:

Wizualizacje:

Dane:


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).