Können Pulsare und Sterne nicht zur Gravitationswellenmessung verwendet werden?

Wie LIGO, LISA etc. Gravitationswellen erkennen

Der Sinn von Instrumenten wie LIGO und LISA besteht darin, zeitlich veränderliche Abstandsänderungen innerhalb verschiedener Arme des Instruments zu messen. Bei einem Arm, der in Richtung einer ankommenden Gravitationswelle (GW) orientiert ist, nimmt die Länge des Arms zu und ab, während ein senkrecht orientierter Arm unverändert bleibt.

Die Methode, um dies zu messen, besteht darin, einen Laserstrahl zu teilen, jede Hälfte an den verschiedenen Armen entlang zu schicken und sie dann wieder zu kombinieren und das Interferenzmuster zu betrachten. Wenn die Arme identische Längen haben, interferieren die Strahlen destruktiv. Wenn jedoch einer der Arme länger (oder kürzer) wird, sind die rekombinierten Strahlen phasenverschoben und Sie haben keine perfekte destruktive Interferenz mehr.

Der Schlüssel, um solche Dinge genau messen zu können, sind zwei Dinge:

1. Armlänge, damit der Strahl, der den Weg mit geänderter Länge hinunterläuft, Zeit hat, eine Phasenverschiebung zu akkumulieren, die groß genug ist, damit sich das Interferenzmuster genug ändert, um gemessen zu werden. Längere Arme führen zu größeren Phasenverschiebungen, weshalb LISA Arme mit einer Länge von 2,5 Millionen km anstrebt.

2. Die Wellenlänge des Lichts: Je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner muss die tatsächliche Verschiebung der Armlänge sein, damit sich der Strahl merklich in der Phase verschiebt. Wenn sich die rekombinierten Strahlen in der Phase um 0,001 % unterscheiden, ist die Änderung des Interferenzmusters sehr schwer zu erkennen und zu messen. Aber wenn sie sich in der Phase um 50% unterscheiden, dann wird der Unterschied offensichtlich sein. Kürzere Wellenlängen sorgen für größere Phasenverschiebungen.

Wenn Sie sich die interferometrische Messung als eine Art Zeitmessung vorstellen möchten (das heißt, wir messen gewissermaßen den Zeitunterschied, den das Licht benötigt, um die beiden Arme hinunterzuwandern), dann ist optisches Licht weitaus besser als Funk „Timing“-Messungen .

Pulsar-Timing

Wie Sie betont haben, gibt es Projekte, die Pulsare verwenden, um zu versuchen, Gravitationswellen zu erkennen (z. B. Pulsar-Timing-Arrays ).

Diese arbeiten, indem sie Zeitverzögerungen beim Eintreffen von Funkimpulsen von Millisekundenpulsaren messen. Beachten Sie jedoch die Einschränkungen: Um die Ankunftszeit genau zu messen, müssen Sie einen Pulsar über einen Zeitraum von mehreren Minuten (oder länger) beobachten und alle Pulsankünfte addieren, um einen einzigen, genauen Wert zu erhalten . (Du bist nichtMessen von Änderungen zwischen dem Eintreffen eines einzelnen Impulses und dem nächsten.) Sie wiederholen diese Messung dann mehrere Wochen oder Monate später, um eine andere Ankunftszeit zu erhalten. Da Sie Messungen im Abstand von Wochen oder Monaten vornehmen, können Sie nur Variationen auf derselben Zeitskala erkennen, weshalb Pulsar-Timing-Arrays hoffen, GWs mit Perioden von Monaten bis Jahren zu erkennen (z. B. von binären supermassiven Schwarzen Löchern). Die Arten von GWs, die LIGO erkennt – mit Perioden von Sekundenbruchteilen – gehen völlig über das hinaus, was Pulsar-Timing-Arrays leisten können.

Wir können kein optisches Licht von Sternen verwenden, weil wir keinen Stern kennen, der die außerordentlich regelmäßige Periodizität eines Millisekunden-Pulsars erzeugt.

Als abschließender Kommentar hat Ihr Szenario von Photonen, die "regelmäßig mit 15 Photonen pro Mikrosekunde auf einem CCD ankommen", das Problem, dass Poisson-Rauschen (auch als " Schussrauschen" bezeichnet ) bedeutet, dass Sie nicht alle 15 Photonen erhalten würden Mikrosekunde; Sie würden jede Mikrosekunde etwa 15 erhalten (eine typische Sequenz könnte so aussehen: 16, 15, 18, 15, 14, 14, 15, 23, 16, 12, ...). Bei so vielen Variationen ist es wirklich schwierig, subtile Variationen in der intrinsischen Signalstärke zu erkennen.

Können Pulsare und Sterne nicht zur Gravitationswellenmessung verwendet werden?

Theoretisch ja. Siehe den NASA-Artikel Listening for Gravitational Waves Using Pulsars aus dem Jahr 2017 .

Angenommen, wir hätten Photonen von einem entfernten Stern gesammelt, und sie kommen regelmäßig mit 15 Photonen pro Mikrosekunde auf einem CCD an, wenn eine Gravitationswelle die Raumzeit krümmt, würde der reguläre 15-Photonen-Graph nicht als Ergebnis der Gravitationswelle wackeln?

So'ne Art. Wenn die Gravitationswelle vorbeizieht, unterliegen wir einer leichten Zeitdilatation. Es würde also so aussehen, als hätte der Pulsar beschleunigt.

Warum muss das LISA-Observatorium Laserzeiten vergleichen, wenn Pulsare so präzise wie Atomuhren sein können, kann es nicht einfach ein paar Pulsarsignale vergleichen? Ein einzelner Satellit, der 50 Pulsare aufzeichnet, würde sich im Vergleich zu den Pulsaren bewegen und hätte eine Frequenz von 50-Hz-Ticks mit Impulsen, die bei kHz-Frequenzen grafisch dargestellt werden können.

Tut mir leid, darauf weiß ich keine Antwort. Aber sehen Sie sich den Wikipedia-Artikel über LISA an und beachten Sie, dass es für die 2030er Jahre geplant ist. Bis dahin kann viel passieren. Vielleicht geht es nicht weiter.

Der andere anzusprechende Punkt ist, dass die erwartete Frequenz der Gravitationswellen, die Sie erkennen, zwischen Lisa- und Pulsar-Timing-Systemen variiert. Dies ändert dann die Arten von Systemen, die Sie erkennen werden. Pulsar-Timing-Arrays sollten massive Verschmelzungen von Schwarzen Löchern finden, während Lisa finden sollte; Schwarze Löcher mit stellarer Masse Jahre bevor sie verschmelzen, Doppelsterne von Weißen Zwergen in der Galaxie (die ebenfalls nicht verschmelzen) sowie Schwarze Löcher mit mittlerer Masse (verschmelzen). Die verschiedenen Detektoren haben also unterschiedliche Verwendungszwecke, auch wenn einer genauer als der andere gemacht werden könnte.