GEO600 - GEO600

GEO600
2015 GEO 600.jpg
Localizações) Sarstedt , Hildesheim , Baixa Saxônia , Alemanha
Coordenadas 52 ° 14 49 ″ N 9 ° 48 30 ″ E / 52,2469 ° N 9,8083 ° E / 52,2469; 9,8083 Coordenadas: 52 ° 14 49 ″ N 9 ° 48 30 ″ E / 52,2469 ° N 9,8083 ° E / 52,2469; 9,8083 Edite isso no Wikidata
Organização Colaboração científica LIGO Edite isso no Wikidata
Comprimento de onda 43 km (7,0 kHz) –10.000 km (30 Hz)
Construído Setembro '' 1995- ( Setembro de 1995- ) Edite isso no Wikidata
Estilo telescópio observatório de ondas gravitacionais
interferômetro de Michelson Edite isso no Wikidata
Diâmetro 600 m (1.968 pés 6 pol.) Edite isso no Wikidata
Local na rede Internet www .geo600 .org Edite isso no Wikidata
GEO600 está localizado na Alemanha
GEO600
Localização do GEO600
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GEO600 é um detector de ondas gravitacionais localizado perto de Sarstedt South of Hanover , Alemanha. Ele é projetado e operado por cientistas do Instituto Max Planck de Física Gravitacional , Instituto Max Planck de Óptica Quântica e Leibniz Universität Hannover , juntamente com a Universidade de Glasgow , a Universidade de Birmingham e a Universidade de Cardiff no Reino Unido, e é financiado pela Sociedade Max Planck e Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC). GEO600 é capaz de detectar ondas gravitacionais na faixa de frequência de 50 Hz a 1,5 kHz, e faz parte de uma rede mundial de detectores de ondas gravitacionais. Este instrumento e seus detectores interferométricos irmãos, quando operacionais, são alguns dos detectores de ondas gravitacionais mais sensíveis já projetados. Eles são projetados para detectar mudanças relativas na distância da ordem de 10 −21 , aproximadamente o tamanho de um único átomo em comparação com a distância do Sol à Terra. A construção do projeto começou em 1995.

História

Na década de 1970, dois grupos na Europa, um liderado por Heinz Billing na Alemanha e um liderado por Ronald Drever no Reino Unido, iniciaram investigações sobre a detecção de ondas gravitacionais interferométricas a laser. Em 1975, o Instituto Max Planck de Astrofísica em Munique começou com um protótipo de comprimento de braço de 3 m, que mais tarde (1983), no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching, levou a um protótipo com comprimento de braço de 30 m. Em 1977, o Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow iniciou investigações semelhantes e, em 1980, iniciou a operação de um protótipo de 10 m.

Em 1985 o grupo Garching propôs a construção de um grande detector com 3 km (2 mi) de comprimento de braço, o grupo britânico um projeto equivalente em 1986. Os dois grupos combinaram seus esforços em 1989 - o projeto GEO nasceu, com as montanhas Harz ( Norte da Alemanha) considerado um local ideal. O projeto, no entanto, não foi financiado, devido a problemas financeiros. Assim, em 1994, um detector menor foi proposto: GEO600, a ser construído nas terras baixas perto de Hannover, com braços de 600 m de comprimento. A construção deste detector de ondas gravitacionais britânico-alemão começou em setembro de 1995.

Em 2001, o Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein, AEI) em Potsdam assumiu a filial de Hannover do MPQ, e desde 2002 o detector é operado por um Centro de Física Gravitacional conjunto da AEI e Leibniz Universität Hannover, juntamente com as universidades de Glasgow e Cardiff. Desde 2002 o GEO600 participou de várias corridas de dados em coincidência com os detectores LIGO. Em 2006, GEO600 atingiu a sensibilidade do projeto, mas até agora nenhum sinal foi detectado. O próximo objetivo é reduzir o ruído restante por outro fator de cerca de 10, até 2016.

Hardware

GEO600 é um interferômetro de Michelson . É composto por dois braços de 600 metros de comprimento, pelos quais o feixe de laser passa duas vezes, de modo que o comprimento efetivo do braço óptico é de 1200 m. Os principais componentes ópticos estão localizados em um sistema de ultra-alto vácuo. A pressão está na faixa de 10 −8 mbar.

Suspensões e isolamento sísmico

Para medições precisas, a ótica deve ser isolada do movimento do solo e outras influências do ambiente. Por esse motivo, todos os detectores de ondas gravitacionais interferométricas baseados em solo suspendem seus espelhos como pêndulos de vários estágios. Para frequências acima da frequência de ressonância do pêndulo, os pêndulos fornecem um bom isolamento contra vibrações. Todas as óticas principais do GEO600 são suspensas como pêndulos triplos, para isolar os espelhos das vibrações no plano horizontal. A massa superior e a intermediária são suspensas por molas cantilever, que fornecem isolamento contra movimentos verticais. Na massa superior estão seis atuadores magnéticos em espiral que são usados ​​para amortecer ativamente os pêndulos. Além disso, toda a gaiola de suspensão assenta em cristais piezo. Os cristais são usados ​​para um 'sistema de isolamento sísmico ativo'. Ele move toda a suspensão na direção oposta ao movimento do solo, de modo que o movimento do solo é cancelado.

Óptica

Os espelhos principais do GEO600 são cilindros de sílica fundida com diâmetro de 18 cm e altura de 10 cm. O divisor de feixe (com dimensões de 26 cm de diâmetro e 8 cm de espessura) é a única peça óptica transmissiva no caminho de alta potência, portanto, foi feito de sílica fundida de grau especial. Sua absorção foi medida como sendo menor que 0,25 ppm / cm.

Avançado

GEO600 usa muitas técnicas e hardware avançados que são planejados para serem usados ​​na próxima geração de detectores de ondas gravitacionais baseados em terra:

  • Suspensões monolíticas: Os espelhos são suspensos como pêndulos. Enquanto fios de aço são usados ​​para espelhos secundários, os espelhos principais do GEO estão pendurados nas chamadas suspensões 'monolíticas'. Isso significa que os fios são feitos do mesmo material que o espelho: sílica fundida. A razão é que a sílica fundida tem menos perdas mecânicas e as perdas geram ruído.
  • Acionamentos eletrostáticos: os atuadores são necessários para manter os espelhos em suas posições e para alinhá-los. Os espelhos secundários do GEO600 possuem ímãs colados a eles para esta finalidade. Eles podem então ser movidos por bobinas. Visto que colar ímãs em espelhos aumentará as perdas mecânicas, os espelhos principais do GEO600 usam acionamentos eletrostáticos (ESDs). Os ESDs são uma estrutura semelhante a um pente de eletrodos na parte de trás do espelho. Se uma voltagem é aplicada aos eletrodos, eles produzem um campo elétrico não homogêneo. O espelho sentirá uma força neste campo.
  • Sistema de atuação do espelho térmico: Um sistema de aquecedores está localizado no espelho do extremo leste. Quando aquecido, um gradiente térmico aparecerá no espelho, e o raio de curvatura do espelho muda devido à expansão térmica. Os aquecedores permitem o ajuste térmico do raio de curvatura do espelho.
  • Reciclagem de sinal: Um espelho adicional na saída do interferômetro forma uma cavidade ressonante junto com os espelhos finais e, assim, aumenta um sinal potencial.
  • Detecção homódina (também chamada de 'leitura DC')
  • Produto de limpeza do modo de saída (OMC): Uma cavidade adicional na saída do interferômetro na frente do fotodiodo. Seu objetivo é filtrar a luz que não carrega potencialmente um sinal de onda gravitacional.
  • Apertar : espremido vácuo é injectada no porto escuro do divisor de feixe. O uso de compressão pode melhorar a sensibilidade do GEO600 acima de 700 Hz por um fator de 1,5.

Outra diferença em relação a outros projetos é que GEO600 não possui cavidades nos braços.

Sensibilidade e medidas

A sensibilidade para a deformação da onda gravitacional é geralmente medida em densidade espectral de amplitude (ASD). O pico de sensibilidade do GEO600 nesta unidade é 2 × 10 −22 1 / √ Hz a 600 Hz. Em altas frequências, a sensibilidade é limitada pela potência do laser disponível. Na extremidade de baixa frequência, a sensibilidade do GEO600 é limitada pelo movimento sísmico do solo.

Ciência conjunta com LIGO

Em novembro de 2005, foi anunciado que os instrumentos LIGO e GEO iniciaram uma longa corrida científica conjunta . Os três instrumentos (os instrumentos do LIGO estão localizados perto de Livingston , Louisiana e em Hanford Site , Washington nos EUA) coletaram dados por mais de um ano, com intervalos para afinação e atualizações. Esta foi a quinta corrida científica do GEO600. Nenhum sinal foi detectado nas execuções anteriores.

A primeira observação de ondas gravitacionais em 14 de setembro de 2015 foi anunciada pelas colaborações do LIGO e do interferômetro de Virgem em 11 de fevereiro de 2016. No entanto, o interferômetro de Virgem na Itália não estava operando na época, e o GEO600 estava em modo de engenharia e não é sensível o suficiente e, portanto, não foi possível confirmar o sinal. O GEO600 começou a coletar dados simultaneamente com o Advanced LIGO em 18 de setembro de 2015.

Reivindicações sobre propriedades holográficas do espaço-tempo

Em 15 de janeiro de 2009, foi relatado na New Scientist que algum ruído ainda não identificado que estava presente nas medições do detector GEO600 pode ser porque o instrumento é sensível a flutuações quânticas extremamente pequenas do espaço-tempo que afetam as posições de partes do detector. Essa afirmação foi feita por Craig Hogan , um cientista do Fermilab , com base em sua própria teoria de como tais flutuações deveriam ocorrer motivadas pelo princípio holográfico .

A história da New Scientist afirma que Hogan enviou sua previsão de "ruído holográfico" para a colaboração do GEO600 em junho de 2008 e, posteriormente, recebeu um gráfico do ruído excessivo que "parecia exatamente igual à minha previsão". No entanto, Hogan sabia antes dessa época que o experimento estava encontrando ruído excessivo. O artigo de Hogan publicado na Physical Review D em maio de 2008 afirma: "A concordância aproximada do ruído holográfico previsto com o ruído inexplicado no GEO600 motiva um estudo mais aprofundado." Hogan cita uma palestra de 2007 da colaboração GEO600 que já menciona "ruído de 'mistério' no meio da banda", e onde os espectros de ruído são plotados. Uma observação semelhante foi feita ("Na região entre 100 Hz e 500 Hz é encontrada uma discrepância entre a soma não correlacionada de todas as projeções de ruído e a sensibilidade observada real.") Em um artigo GEO600 submetido em outubro de 2007 e publicado em maio de 2008.

É uma ocorrência muito comum para detectores de ondas gravitacionais encontrarem ruído em excesso que é subsequentemente eliminado. De acordo com Karsten Danzmann, o investigador principal do GEO600, "O trabalho diário de melhorar a sensibilidade desses experimentos sempre gera um excesso de ruído (...). Trabalhamos para identificar sua causa, nos livrar dele e atacar a próxima fonte de excesso de ruído. " Além disso, algumas novas estimativas do nível de ruído holográfico na interferometria mostram que ele deve ser muito menor em magnitude do que foi afirmado por Hogan.

Data / Einstein @ home

Não apenas a saída do fotodiodo principal é registrada, mas também a saída de uma série de sensores secundários, por exemplo, fotodiodos que medem feixes de laser auxiliares, microfones, sismômetros, acelerômetros, magnetômetros e o desempenho de todos os circuitos de controle. Esses sensores secundários são importantes para o diagnóstico e para detectar influências ambientais na saída do interferômetro. O fluxo de dados é parcialmente analisado pelo projeto de computação distribuída ' Einstein @ home ', software que os voluntários podem executar em seus computadores.

A partir de setembro de 2011, os detectores VIRGO e LIGO foram desligados para atualizações, deixando o GEO600 como o único interferômetro a laser em grande escala em operação em busca de ondas gravitacionais. Posteriormente, em setembro de 2015, os detectores LIGO avançados ficaram online e foram usados ​​na primeira execução de observação 'O1' com uma sensibilidade cerca de 4 vezes maior do que o LIGO inicial para algumas classes de fontes (por exemplo, binários de estrelas de nêutrons), e muito maior sensibilidade para sistemas maiores com sua radiação de pico em frequências de áudio mais baixas. Esses detectores LIGO avançados foram desenvolvidos sob a Colaboração Científica do LIGO com Gabriela González como porta-voz. Em 2019, a sensibilidade dos novos detectores LIGO avançados deve ser pelo menos 10 vezes maior do que os detectores LIGO originais.

Veja também

Referências

links externos