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Drei Detektoren würden die Fähigkeit, die Richtung der Gravitationswellen genau zu bestimmen, drastisch verbessern.

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Die Richtung der Quelle einer Gravitationswelle zu finden, ist, wie bei den meisten Dingen in der Wissenschaft, schwieriger, als es zunächst scheinen mag. Ich möchte darauf hinweisen, dass der zur Bestimmung der Richtung verwendete Prozess nicht genau eine Form der Triangulation ist (selbst wenn er mehr als 3 Detektoren hätte), da die Triangulation die Bestimmung der genauen Position aus der Kenntnis der Entfernungen zum Objekt von 3 oder mehr Orten beinhaltet. Das ist nicht wirklich das, was hier passiert.

Ich werde die Grundlagen für die Bestimmung der Richtung skizzieren und wie diese Methode mit mehr Detektoren verbessert werden könnte, aber Sie können auch diese ausgezeichnete Quelle lesen .

Ankunftszeit

Die Hauptmethode zur Bestimmung der Richtung ist die Ankunftszeit an den verschiedenen Detektoren. Die derzeit aktiven Detektoren liegen etwa 10 Millilichtsekunden voneinander entfernt. Das heißt, einer von ihnen wird zuerst die Welle erkennen, und einige Zeit später erkennt der andere sie. Da sich die Welle mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten muss, können Sie die Richtung bestimmen, aus der sie gewandert ist, sodass sie die Entfernung zwischen den beiden Detektoren in der gemessenen Zeitdifferenz zurückgelegt hat.

Dies stellt jedoch ein Problem dar, da dieses Verfahren Entartungen mit nur 2 Detektoren aufweist. Alles, was Sie wirklich berechnen können, ist der Richtungswinkel der Welle in Bezug auf die Linie, die Ihre beiden Detektoren verbindet. Das gibt Ihnen nur einen Kegel am Himmel, woher die Welle kommen könnte, und Sie können den Azimutwinkel ohne weitere Informationen nicht genau bestimmen. Dieses Konzept ist im Bild unten zu sehen, das die wahrscheinliche Richtung zeigt. Sie können sehen, dass sie es weiter eingeschränkt haben, aber ihre Form ist immer noch Teil eines Kreises (die Projektion dieses Kegels auf den Himmel).

Was wäre, wenn Sie einen weiteren Detektor hinzufügen würden?

Wie oben erwähnt, haben Sie eine Entartung mit nur 2 Detektoren, aber das Hinzufügen eines dritten würde diese Entartung aufheben. Sie würden Ihren Kegel in eine Spitze verwandeln und Sie wüssten viel genauer, woher die Quelle kommt. Mit mehr Detektoren könnten Sie diesen Ort noch genauer lokalisieren, aber nur 3 sind erforderlich, um alle Entartungen zu entfernen.

Jetzt habe ich natürlich beschrieben, wie es "in der Theorie" funktionieren würde. In der Praxis sind Beobachtungen normalerweise viel chaotischer. Jede Messung ist mit Fehlern verbunden, sodass Sie selbst mit 3 Detektoren den Standort nicht genau bestimmen können. Sie werden es eher auf einen kleinen Fleck am Himmel lokalisieren können. Hier können andere Richtungserkennungstechniken verwendet werden, um diesen Ort zu verfeinern.

Detektorempfindlichkeit

Das Experiment funktioniert so, dass eine Masse aufgebaut wird, die sich unter dem Einfluss von Gravitationswellen zusammenziehen kann. Diese winzige Kontraktion der Raumzeit (und damit der Masse) durch das Vorbeifahren ist mit präzisen Lasern und Interferometrie messbar. Allerdings können die Laser nur die Kontraktion der Masse in einer Richtung messen. Wie stark sich die Masse in dieser Richtung zusammenzieht, hängt von der Richtung ab, in der die Welle auf sie trifft. Dies ist eine zu starke Vereinfachung, aber wenn die Modulation der Welle (d. h. die Richtung, in die sie „auf“ und „ab“ geht) perfekt auf die Richtung ausgerichtet ist, in der die Kontraktionen gemessen werden, messen Sie die volle Wirkung der Welle. Wenn die Welle in einem bestimmten Winkel dazu einfällt, messen Sie immer noch die Auswirkungen, aber Sie

Dieser Prozess der Wellenrichtungserkennung erfordert mindestens 2 Detektoren, aber mehr ist besser, um das Rauschen zu unterdrücken.

Erstens deckt die Himmelskarte für das Ereignis GW150914 etwa 600 Quadratgrad ab, von denen die Große Magellansche Wolke nur einen kleinen Bruchteil davon ausmacht, und außerdem beträgt die geschätzte Entfernung zu dieser Verschmelzung etwa 400 Mpc, Größenordnungen größer als die Entfernung zum LMC ( ~50kpc) [Quelle] . Gehen Sie also nicht davon aus, dass es von dort kommt, da die Fehlerfelder so groß sind, dass wir es noch nicht einer einzelnen Galaxie zuordnen können.

In Bezug auf Ihre Frage gab es auf der gestrigen Pressekonferenz eine sehr gute Illustration, die die verbesserte Lokalisierung skizzierte, die das Hinzufügen eines dritten Detektors (Jungfrau) zur Triangulation der Position der Gravitationswellenquelle bewirken würde. Leider kann ich keine Kopie von Davids Präsentation von gestern finden, aber dies ist eines der Bilder, die er gezeigt hat, mit einem Vergleich der Fehlerfelder, wenn Virgo auch in Betrieb war (nicht gezeigt).

Darüber hinaus bestätigten sie auch die Pläne, bis 2025 ein viertes (KAGRA) und fünftes (LIGO India) Gravitationswellenobservatorium hinzuzufügen und so die Lokalisierung der Quellen weiter zu verbessern. Es wird auch erwartet, dass Verbesserungen und Upgrades der aktuellen Detektoren die Lokalisierung leicht verbessern.

Um die ursprüngliche Position von Gravitationswellen zu lokalisieren, braucht man mehr als 1 Interferometer. Diese Interferometer erfassen Gravitationswellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Wenn wir die genauen Standorte unserer Interferometer und den Zeitpunkt kennen, zu dem sie die Wellen aufnehmen, können wir den genauen Standort der Quelle ermitteln.

Ich habe ein kurzes Demo-Video über Interferometer gemacht und wie man damit Wellen lokalisieren kann. Sie können es hier überprüfen: https://youtu.be/4enCrprmLn8

Einen schönen Tag noch!