de
f orb = 1
gdzie
M
jest aªkowit¡mas¡ukªadu,µ
jestmas¡zredukowan¡, aa
jestwielk¡póªosi¡orbity.
Wprzypadkuorbitykoªowejwka»dej hwiliukªademitujesygnaªojednej
ustalo-nej zsto± i, którajestrówna odowarto± idwukrotno± i zsto± i orbitalnej. Gdy
mamy do zynieniazorbit¡elipty zn¡, prdko±¢ skªadnikówzmieniasiwzale»no± i
od miejs a zajmowanego na orbi ie. Powoduje to powstanie dodatkowy h zsto± i
w widmie. Ukªad promieniuje w danej hwili w w¡skim przedziale zsto± i, a nie
tylkow jednej konkretnej.
f gw n = nf orb ,
(2.25)df gw
dt = n df orb
dt .
(2.26)W przypadku orbity koªowej fale grawita yjne s¡ emitowane tylko dla
n = 2
.Wstawiaj¡ równanie 2.24 i 2.21 do równania 2.26, otrzymamy ewolu j w zasie
ka»dej harmoniki:
gdziewystpujetakzwanamasa hirp,bd¡ akombina j¡mas skªadnikówukªadu,
któradeterminujeamplitud i zsto±¢ powstaj¡ ej fali
M chirp = µ 3/5 M 2/5
.Mo promieniowania w zale»no± i od numeru harmoniki byªa wyprowadzona w
pra y Peters & Mathews(1963) i wyra»a sinastpuj¡ ym wzorem:
dE
dt (n) = 32 5
G 4 µ 2 M 3
c 5 a 5 g(n, e),
(2.28)gdzie
g(n, e)
jestfunk j¡ eks entry zno± i i numeru harmonikig(n, e) = n 4
a
J n
s¡ funk jami Bessela. Wynik ten zostaª otrzymany poprzez analiz Fourierakeplerowskiego ru hu skªadników po eks entry znej orbi ie. Sz zegóªowe
wyprowa-dzenie dostpne jest wpra y Peters & Mathews(1963).
¡ z¡ zesob¡wzory2.20-2.28i2.27otrzymujemyostate znewyra»enienawidmo
fal grawita yjny h emitowany h przez ukªad podwójny o elipty znejorbi ie.
dE 0) = 0
, azatemwynik uprasz zasidodobrze znanego wyra»eniazaprezentowanego miedzy innymi przez Phinney (2001):dE
Mo»emy wyró»ni¢dwa przypadki ukªadów, który h widma bd¡ zna z¡ o siod
siebie ró»niªy. Ukªadyo zasie dokoales en jidªu»szymodobe nego zasuHubble'a
(przyjmujemy,»e jest onrówny
T H = 10 4
Myr),które nazwiemy dªugo-»yj¡ ymioraz te, które zlej¡ si w zasie krótszym od wieku Wsze h±wiata zwane dalejkrótko-»yj¡ ymi.
Pierwsz¡ grup tworz¡ ukªady o szeroki h orbita h. Mo»emy przyj¡¢, »e
pa-rametry i h orbit pozostaj¡ staªe w skali zasu Hubble'a. Ozna za to, »e wykres
i h widma energety znego bdzie zªo»eniem dyskretny h warto± i wynikaj¡ y h z
wkªadu od posz zególny h harmonik. Przykªadem mo»e tu by¢ rysunek 2.4, na
któ-rymprzestawiono widmopo hodz¡ eoddwó hmasywny h zarny hdziuromasa h
M 1 = M 2 = 300 M ⊙
na szerokiej orbi ie o wielkiej póªosi równeja = 1.2 × 10 6 R ⊙
.Ró»ne symbole odpowiadaj¡ ró»nym po z¡tkowym eks entry zno± iom (znak plus
odpowiadaorbi iekoªowej, krzy»ykipokazuj¡wynikdlaeks entry zno± irównej0.5,
gwiazdki odpowiadaj¡ eks entry zno± i 0.7, a kwadraty eks entry zno± i 0.9).
Wraz ze wzrostem eks entry zno± i rozkªady staj¡ si oraz szersze. Ponadto
maksimum rozkªadu przesunite jest w stron wy»szy h zsto± i. Wykres
odpowia-daj¡ y najwikszej rozwa»anej eks entry zno± i (kwadraty) wykazuje iekawe
mini-mum w okoli y niski h zsto± i. Jest to wynik sz zególnej posta i funk ji g(n,e)
zdeniowanej równaniem 2.29, a nieartefaktem numery znym.
10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10
10 -12 10 -11 10 -10 10 -9 10 -8
dE/df GW [10 50 erg*s]
f GW [Hz]
e=10 -10 e=0.5 e=0.7 e=0.9
Rysunek 2.4: Widmo grawita yjne po hodz¡ e od dªugo-»yj¡ ego ukªadu zªo»onego
zdwó h zarny hdziur(
M 1 = M 2 = 300 M ⊙
,a = 1.2 ×10 6 R ⊙
)oró»ny helipty zno-± ia h orbity. Pojedyn zy znak plus odpowiada orbi ie koªowej, krzy»yki pokazuj¡
wynikdlaeks entry zno± irównej 0.5, gwiazdkiodpowiadaj¡ eks entry zno± i0.7, a
kwadraty eks entry zno± i 0.9.
Drugimprzypadkiems¡ukªady,który h zasdokoales en jijestkrótszyod zasu
Hubble'a. Ewolu ja i h parametrów orbitalny h nie mo»e by¢ zaniedbana. Zmienia
sizarównowielkapóªo±,jakieks entry zno±¢. Dodatkowona zasow¡ewolu jty h
parametrównakªadasirozmy iew zsto± izwi¡zanezwystpowaniemró»ny h
har-monik. Widmo promieniowaniatakiegoukªadu roz i¡gasiod zsto± i po z¡tkowej
f p
(wynikaj¡ ej z po z¡tkowy h parametrów ukªadu podwójnego taki h jak masy skªadników i wielka póªo± w momen ie powstania ukªadu), a» do górnej grani y, zaktór¡tutaj przyjmujemy zsto±¢ ostatniej stabilnej koªowej orbity
f ISCO
.f ISCO = c 3 6 √
6πG(M 1 + M 2 ) .
(2.32)Jako przykªad prezentujemy rysunek 2.5, na którym wida¢ widmo ukªadu dwó h
zarny h dziur omasa hjak w poprzednim przypadku (
M 1 = M 2 = 300 M ⊙
),alena10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7
10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 10 6
dE/df GW [10 50 erg*s]
f GW [Hz]
e=10 -10 e=0.5 e=0.7 e=0.9
Rysunek 2.5: Widmograwita yjne po hodz¡ eod krótko-»yj¡ ego ukªaduzªo»onego
z dwó h zarny h dziur (
M 1 = M 2 = 300 M ⊙
,a = 1.2 × 10 2 R ⊙
) o ró»ny helipty z-no± ia h orbity. Ci¡gªa linia odpowiada orbi ie koªowej, linia kreskowana pokazuje
wyniki dla eks entry zno± i 0.5, liniakropkowana odpowiada eks entry zno± i 0.7 a
liniakreskowano - kropkowana eks entry zno± i 0.9.
du»o mniejszej orbi ie
a = 1.2 × 10 2 R ⊙
. Równie» i tu wyniki zostaªy poli zone dlaró»ny h po z¡tkowy h eks entry zno± i orbity.
Orbita koªowa generuje zwykªe widmo potgowe. Wzrost eks entry zno± i
po-woduje powstanie dodatkowej emisjiw wysoki h zsto± ia h. Ksztaªt i rozmiar tej
struktury zale»ny od warto± i eks entry zno± i.
Detek ja fal grawita yjny h jest niezwykle trudnymzadaniem. Samefale bardzo
sªabo oddziaªuj¡zmateri¡, osprawia, »e efektyi hprzej± ia s¡bardzosubtelne. W
rozdziale 2 wyprowadzona byªa harakterysty zna amplituda zaburzenia
zasoprze-strzeni. Powodujeonazmianodlegªo± imidzymasywnymiobiektami. Tojak du»a
jestowazmiana zale»y odpierwotnej odlegªo± i:
δL
L = h,
(3.1)gdzie
L
to odlegªo±¢ midzy masywnymi obiektami, aδL
to zmiana odlegªo± i jak¡wywoªa fala oamplitudzie
h
.Amplitudy fal po hodz¡ y h od realisty zny h ¹ródeª astrozy zny h bd¡
bar-dzomaªe. Prosteosza owaniepokazuje, »eamplitudajestniewikszaod
h ∼ R r s ( v c ) 2
,gdzie
R s
to promie« S hwartzs hilda ¹ródªa,r
to odlegªo±¢ do ¹ródªa, av
ozna zaharakterysty zn¡ prdko±¢ ¹ródªa. Aby zda¢ sobie spraw z rzdów wielko± i o
ja-ki h tu mówimy, przeanalizujmy przykªad wybu hu supernowej w entrum naszej
Galaktyki. ródªemfaligrawita yjnejbdzietugwaªtowniezapadaj¡ esij¡dro
ma-sywnejgwiazdy,którejpromie«S hwartzs hildawynosiok
1.5
km. Odlegªo±¢doen-trumGalaktykito
8.5
kp ,a prdko±¢ zapadaj¡ ejsimateriisza owana jestna10%prdko± i ±wiatªa. Z naszego prostego osza owania wy hodzi wtedy, »e amplituda
fali grawita yjnej, któr¡ zaobserwujemy na Ziemi bdzie rzdu
h ∼ 10 − 20
. Nale»ywpomnie¢, »ewikszo±¢ zjawiskjakie spodziewamysiobserwowa¢bdzie du»odalej
ni»w entrum naszej Galaktyki, wi spodziewane amplitudybd¡ jesz ze mniejsze.
Zarejestrowanie tak maªy h zmian odlegªo± i jest wi wyzwaniem dla wspóª zesnej
te hniki.
3.1. Detektory rezonansowe.
Pierwszy detektor fal grawita yjny h zbudowaª J. Weber w lata h 60-ty h XX
wieku. Byª to aluminiowy wale zawieszony na spe jalny h kolumna h maj¡ y h
zazadanie izola j instrumentuod wpªywu zewntrzny h zakªó e«. Na powierz hni
wal aumiesz zonebyªy detektoryfotoelektry zne,którepodwpªywemodksztaª enia
wibrowa¢. Siªa drga« uzale»niona jest od zsto± i prze hodz¡ ej fali - im bli»sza
byªaby ona zsto± i rezonansowej aluminium, tym silniejsze drgania. Weber
osza- owaª, »e za pomo ¡ swojego instrumentu jest w stanie wykry¢ odksztaª enia wal a
z dokªadno± i¡ do setnej z± i rozmiaru atomu. Zdawaª sobie spraw z roli jak¡
ma wpªyw lokalny h zjawisk taki h jak trzsienia ziemi, aktywno±¢ o eani zna zy
drgania Ziemi wywoªane ludzk¡ aktywno± i¡. Dlatego te» wybudowaª dwie anteny
- jedna znajdowaªa si na Uniwersyte ie w Maryland, a druga w Argonne National
Laboratory niedaleko Chi ago. Owo em tak przeprowadzony h obserwa ji byªa
pu-blika ja (Weber 1969),w której Weberogªosiª odkry ie fal grawita yjny h. Niestety
jego wynikiniezostaªy potwierdzone. Z punktu widzenia dzisiejszej te hnikiwydaje
si, »e to o obserwowaª Weber nie mogªo by¢ fal¡ grawita yjn¡, gdy» zuªo±¢ jego
detektora byªa wiele rzdówwielko± i za maªa,aby wykry¢ jakikolwiek sygnaª.
Nie-mniejjego rolawhistorii detektorów falgrawita yjny hjest bardzodu»a. Dzisiejsze
detektory rezonansowe w swej isto ienie ró»ni¡ siwiele odtego u»ytego przez
We-bera. S¡ wiksze i lepiej izolowane od oto zenia. Naj z± iej umiesz zone w niski h
temperatura h, aby zminimalizowa¢ szumy termi zne. Anteny rezonansowe maj¡
bardzow¡skizakres zuªo± izlokalizowanywpobli»ui h zsto± i rezonansowej. Nie
nadaj¡ si doszerokopasmowy h przegl¡dów nieba, ara zej do poszukiwa«sygnaªu
odznany hobiektów. Dobrymi¹ródªamiwtym wypadkus¡pulsary,który h znamy
zsto±¢ wirowania, atak»e pozy jnaniebie. W i¡guostatni hlatoperowaªokilka
detektorów tego typu w ró»ny h z± ia h kuli ziemskiej. W±ród ni h: ameryka«ski
ALLEGRO (M Hugh i in. 2002), fran uski ALTAIR (Bonifazi & Vis o 1992),
wªo-skie AURIGA (Zendri i in. 2002) i NAUTILUS szwaj arski EXPLORER (Astone i
in. 2008) zy australijski NIOBE (Blair i in.1998).
Rysunek 3.1pokazuje poªo»enie wy»ejwymieniony h detektorów.
tektorów rezonansowy h.
3.2. Detektory interferometry zne.
Zupeªnie inn¡ metod detek ji stosuje si w detektora h interferometry zny h.
Podstaw¡i hdziaªaniajestinstrument,któryzbudowali Mi helsoniMorleydo
prze-prowadzeniaswojegosªynnegoeksperymentuw1885roku(Mi helson&Morley1887).
Dzisiejsze interferometry s¡ daleko bardziej skomplikowane, ale w i¡» wykorzystuj¡
zjawisko interferen ji, aby zmierzy¢ drobne przesuni ia mas próbny h po przej± iu
faligrawita yjnej.
S hemat budowy interferometru jest przedstawiony narysunku 3.2.
Antena skªada si z dwó h ramion o równej dªugo± i ustawiony h do siebie pod
k¡tem prostym ( ho¢ mo»liwe s¡ te» inne kongura je geometry zne). Na ko« a h
ka»dego z ramion umiesz zone s¡ i»kie lustra, które peªni¡ rol mas testowy h.
W miejs u spotkania ramion znajduje si lustro póªprzepusz zalne. wiatªo lasera
prze hodziprzezpóªprzepusz zalnelustroiroz hodzisiwobydwuramiona h
jedno- ze±nie. Po odbi iu od lusterna ko« a h ramionwra ai nastpuje interferen ja obu
wi¡zekwdetektorze. Caªo±¢ustawionajest wtakisposób, abysygnaªyzoburamion
prowadziªy do interferen ji destruk yjnej, je±li ramiona s¡ równej dªugo± i. Ka»da
zna zone elementy to laser (L), lustro póªprzepusz zalne (Lpp) oraz dwa lustra na
ko« a h tuneli, które peªni¡ rol mas testowy h (M).
zmiana dªugo± i któregokolwiek z ramion bdzie zatem powodowaªa, »e wi¡zki
lase-rowesi niewygasz¡ i w detektorze zarejestrujemy sygnaª. Midzy lustrem
póªprze-pusz zalnymamasamitestowymiznajdujesiwi ejluster,aby efektywna odlegªo±¢
pokonywana przez wi¡zk laserow¡ byªa wielokrotnie wiksza ni» dªugo±¢ samego
ramienia. Prawdziwedetektorys¡bardzoskomplikowanymiurz¡dzeniami,które
mo-nitoruj¡ nie tylko odlegªo±¢ do luster, ale te» wiele inny h parametrów zwi¡zany h
z oto zeniem. Wi¡zka laserowa umiesz zona jest w pró»niowy h tunela h, same
lu-stra s¡ zawieszone w bardzo skomplikowany sposób oraz hªodzone. Wszystkie te
zabiegi maj¡ odizolowa¢ detektor od wpªywów oto zenia. Dodatkowo wewn¡trz
sa-megodetektoraumiesz zones¡termometry,magnetometry,anazewn¡trzmikrofony,
sejsmometry zy wiatromierze. Od zyty ty h urz¡dze« pomagaj¡ oddzieli¢
praw-dziwe sygnaªy od szumów wywoªany h wiatrem, ru hem uli znym zy aktywno± i¡
sejsmi zn¡ samejZiemi.
Historia pierwszy h detektorów interferometry zny h siga lat osiemdziesi¡ty h
XX wieku, kiedy wiod¡ e uniwersytety ameryka«skie i brytyjskie budowaªy swoje
anteny (Shoemaker i in. 1988; Zu ker 1992). Byªy to zazwy zaj maªe instrumenty
(dªugo±¢ ramion sigaªa maªy h kilkudziesi iu metrów) peªni¡ e role prototypów
wikszy h eksperymentów. I h gªównym elem byªo testowanie rozwi¡za«
te hni z-ta yjnej.
W lata h 90-ty h XX wieku powstaªy zna znie wiksze eksperymenty takie jak
TAMA300(Takahashi i in.2008),GEO600 (Willke &LIGO S ienti Collaboration
2007; Lü k i in. 2010), LIGO (Abbott i in. 2009b), VIRGO (A ernese i in. 2006),
które nazywane s¡ zsto detektorami I genera ji. W tej hwili trwa budowa
detek-torówII genera ji,który h zuªo±¢powinnazwikszy¢si10-krotniewporównaniuz
poprzedni¡genera j¡. Zarówno ameryka«skidetektor LIGOjakieuropejskiVIRGO
prze hodz¡ obe nie gruntown¡ przebudow, w wyniku której powstanie AdvLIGO
(Harry & the LIGO S ienti Collaboration2010; Landry 2012) i AdvVIRGO
(De-gallaix i in. 2013). Dodatkowo planowana jest budowa anteny w Australii (Brooks
i in. 2011) lub India h (Unnikrishnan 2013). Trwa równie» budowa japo«skiego
in-strumentu KAGRA (Somiya 2012), który w przyszªo± i doª¡ zy do ±wiatowej sie i
interferometrów.
Kolejnym etapem bdzie budowa europejskiego detektoraIII genera ji- Einstein
Teles ope(Lü k2012; Sathyaprakash iin.2012)oraz detektorówkosmi zny htaki h
jak LISA/eLISA (Stebbins i in. 2013) zy DECIGO (Kawamura 2006; Kawamura i
in.2011). Status ty h ostatni h jest mo no niepewny ze wzgldu na bardzo odlegª¡
perspektyw zasow¡wjakiejprojektytemaj¡by¢realizowane. Najprawdopodobniej
fundusze na te inwesty je bd¡ pozyskane dopiero po dokonaniu pierwszej detek ji
falgrawita yjny h.
Rysunek 3.3 prezentuje krzywe zuªo± i omawiany h ni»ej naziemny h
interfe-rometrów - zarówno ty h, które operowaªy w przeszªo± i, jak i ty h planowany h
w nastpny h lata h. Krzywe dla detektorów, które dziaªaªy s¡ fakty znie
uzyska-nymi pod zas eksperymentu, dlatego i h ksztaªt jest du»o bardziej skomplikowany.
Krzywe planowany hdetektorów maj¡ przybli»on¡ formbazuj¡ ¡ nateorety zny h
o zekiwania h. Lini¡ zerwon¡ zazna zono krzyw¡ odpowiadaj¡ ¡ zuªo± i VIRGO
1
oraz budowanego obe nie advVIRGO 2
, lini¡zielon¡ zazna zonokrzyw¡ detektora
LIGO (The LIGO S ienti Collaboration & The Virgo Collaboration 2012) oraz
budowanego advLIGO (Harry &the LIGO S ienti Collaboration 2010), lini¡
nie-1
https://www as ina.virgo.infn.it/DataAnalysis/Calibration/Sensitivity/
2
http://www.virgo.infn.it/advirgo/
biesk¡ zazna zono krzyw¡ zuªo± i budowanego detektora KAGRA , lini¡ ró»ow¡
zazna zono krzyw¡ dla GEO600 4
, a linia jasno-niebieska odpowiada planowanemu
detektorowi ET.
5
Rysunek 3.4pokazuje krzywe zuªo± i planowany h detektorówkosmi zny h.
Li-ni¡ zerwon¡ zazna zonokrzyw¡ zuªo± iDECIGO,liniazielonaodpowiadakrzywej
pierwotnejwersjidetektoraLISA 6
,alinianiebieskapokazuje okrojon¡wersj
detek-tora LISA nazwanego obe nie eLISA/NGO (Amaro-Seoanei in.2012).
Poni»ej prezentujemy sz zegóªowy opis najwa»niejszy h z wy»ej wymieniony h
detektorów.
3
http://gw enter.i rr.u-tokyo.a .jp/en/resear her/parameter
4
http://www.geo600.uni-hannover.de/geo urves/
5
http://www.et-gw.eu/etsensitivities
6
http://www.srl. alte h.edu/shane/sensitivity/