Magyar részvétel az európai gravitációshullám-kísérletekben Rácz István RMKI Wigner-Virgo csoport

A gravitációs hullámok és az általános relativitáselmélet Einstein elmélete: 1916-ban jelent meg az első GH témájú tudományos dolgozat Az áltrel a gravitáció egy geometriai elmélete Az Einstein-egyenletek kapcsolják össze a téridő görbültségét megjelenítő Gmn Einstein-tenzort az anyag mozgását megjelenítő Tmn energia-impulzus tenzorral A forrásoktól távol, ahol már gyengék a GH-ok (lineáris közelítés), sugárzási mértékben (Tmn ~ 0) úgy írhatók le, mint a téridő geometriájának fénysebességgel terjedő változásai. Debrecen, 2013 augusztus 22.

A gravitációs hullámok A téridő geometriájának kicsiny perturbációi Mértékrögzítés: kétféle polarizációs állapot h+ és h A gravitációs hullámoknak egy körvonal pontjai mentén egyenletesen elhelyezett tömegpontokra kifejtett hatása h h+ Debrecen, 2013 augusztus 22.

Léteznek-e egyáltalán? Neutron csillagokból álló kettős (1974) PSR1913+16: egy pulzár és egy sötét társ Tőlünk kb. 7 KPc távolságban, vmax/c ~10-3 Távolságuk ~ dʘ , keringési idő ~ 7,75 óra Az áltrel jóslatai értelmében ennek a rendszernek gravitációs hullámokat kell kibocsátania: a keringési időnek csökkennie kell A jóslatokat 0.2% pontossággal igazolták a megfigyelések Hulse and Taylor: 1993 Fizikai Nobel-díj Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az interferometria elvén működő detektorok Mára az ilyen típusú detektoroknak is egy világméretű hálózata alakult ki GEO, Hannover, 600 m LIGO Hanford, 4 km: 2 ITF ugyanabban a detektorban! A források helyét csak háromszögelési eljárásokkal tudjuk meghatározni KAGRA, Kamioke, 3 km, 2.5 gen. Virgo, Cascina, 3 km LIGO Livingston, 4 km A közös mérések: hosszabb megfigyelési időszakok és a hamis észlelések kizárása Debrecen, 2013 augusztus 22.

A Virgo együttműködés tagjai LAPP – Annecy NIKHEF – Amsterdam GPG – Birmingham INFN – Firenze-Urbino INFN – Frascati INFN – Genoa VIRGO INFN – Perugia INFN – Pisa INFN – Roma 1 INFN – Roma 2 Univ of Warsav RMKI - Budapest IPN – Lyon INFN – Napoli OCA – Nice LAL – Orsay ESPCI – Paris APC – Paris INFN – Padova-Trento Debrecen, 2013 augusztus 22.

földi telepítésű detektorok esetén A működési elv: Az árapályerők által okozott relatív hosszváltozások a Michelson-féle interferométerrel hatékonyan észlelhetők 102L0 104 m földi telepítésű detektorok esetén E1 Ein λ ≈ 300 km – valamilyen „trükköt” kell alkalmazni E2 Fabry-Perot cavity Effektív karhosszúság: Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az elsőgenerációs detektorok névleges érzékenysége és a potenciális források Debrecen, 2013 augusztus 22.

Galaxisok ezrei az ábrán jelölt 50 millió fényévnyi távolságon belül AZ ELSŐ GENERÁCIÓS DETEKTOROK TERVEZETT ÉRZÉKENYSÉGE AKKORA, HOGY A NEUTRONCSILLAG KETTŐSÖK ÖSSZEOLVADÁSÁT MEGFIGYELHESSÉK AKKOR IS, HA AZ A 15MPc TÁVOLSÁGBAN LÉVŐ VIRGO KLASZTERBEN TÖRTÉNIK Nagyon kevés a várható esemény: 0.01-0.1 esemény/év (NS-NS) Galaxisok ezrei az ábrán jelölt 50 millió fényévnyi távolságon belül Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az interferometrikus elven működő detektorok fejlődése: A Virgo detektor: Észlelési távolság (a.u.) Elérhető a kívánt pontosság Fizikai felsőkorlátok Adatgyűjtés, első mérések A detektor megépítése és üzembe helyezése Ugyanazon infrastruktúra év 2003 2008 Debrecen, 2013 augusztus 22.

A második generációs detektorok Az első generációs detektorok igazolták, hogy a tervezett mérési pontosság elérhető A második generációs detektorok lehetővé teszik pl.: A neutroncsillag kettősök összeolvadására vonatkozó érzékenységi határ 20 MPc-ről 200 MPc-re történő növelését Évente néhány tucat ilyen típusú megfigyelés várható (az SNR még viszonylag alacsony!) A forgás lassulása több ismert pulzár esetében kimérhető lesz 108 ly Enhanced LIGO/Virgo+ Virgo/LIGO Credit: R.Powell, B.Berger Adv. Virgo/Adv. LIGO 2-3 ÉV ÉPÍTKEZÉS!!! Magyar vonatkozás: Az advanced Virgo Tier0 rendszere a Wigner Adatcentrumban ??? Szeptemberben indulnak az egyeztetések. Debrecen, 2013 augusztus 22.

Kifejlesztettük a CBwaves programcsomagot Csizmadia Péter, Debreczeni Gergely, Rácz István és Vasúth Mátyás (WIGNER FK): Gravitational waves from spinning eccentric binaries Class. Quantum Grav. 29 (2012) 245002 Olyan kompakt összeolvadó kettősök által kisugárzott gravitációs hullámok meghatározását teszi lehetővé, amelyek spinnel és esetleg nagy excentricitással rendelkeznek. A poszt-newtoni formalizmus felhasználásával egyidejűleg határozzuk meg a kettős mozgását (ezt 3.5PN rendig bezárólag), valamint az általuk kibocsátott gravitációs hullámformát (ezt 2PN rendig bezárólag). A kompakt kettősök felfedezésére szakosodott CBC csoport számára olyan hullámforma- bankokat kívántunk kialakítani, melyek képessé teszik a LIGO-Virgo együttműködést az excentrikus, valamint spinnel is rendelkező kettősök, mint források hatékony felismerésére. A kód a LIGO-Virgo kollaboráció által használt LAL/LALsimulation programcsomag szerves részévé vált. Debrecen, 2013 augusztus 22.

? 3. GENERÁCIÓ? A GW detektorok fejlődése: (pl. Virgo) Precíziós csillagászat kozmológia ? A GW detektorok fejlődése: (pl. Virgo) A jelenleg alkalmazott infrastruktúra határa Első detektálás Az “advanced” technikák tesztelése Észlelési távolság (a.u.) Advanced detectors A működési elv igazolása enhanceddetectors Adatgyűjtés, első mérések A detektor megépítése és üzembe helyezése Lényegében változatlan infrastruktúra (20 év a Virgo esetében, még több a LIGO & GEO600 esetén) Same infrastructure Same infrastructure Same infrastructure év 2003 2008 2011 2017 2022

Miért fontos a gravitációs hullámok észlelése és a gravitációshullám-csillagászat megszületése? A kozmoszról kialakított elképzeléseink majdnem teljes egészében az elektromágneses hullámok által közvetített információkon nyugszanak. A csillagok belsejében zajló extrémen dinamikus folyamatokat csak nagyon áttételesen tudjuk vizsgálni Az univerzum jelenleg elfogadott modellje értelmében az univerzum 97%-a „sötét” (energia és anyag) Alig hatnak kölcsön az anyaggal: A forrásoktól induló jelek torzulásmentesen jutnak el a detektorokhoz Információ az univerzum korai állapotáról? WMAP 408MHz Infrared visible g-ray X-ray GW ? GRB Debrecen, 2013 augusztus 22.

Credit: B.Sathyaprakash 10-22 10-23 10-24 10-25 h (1/√Hz)‏ 1st generation eLISA 2009 2028? Adv detectors 2015 3rd generation 2020 0.1mHZ 10mHZ 1 Hz 100HZ 10kHz Az f frekvencia / azon feketelyuk kettősök tömege, melyek az összeolvadási frekvenciája f 4x107 M 4x105 M 4x103 M 40 M 0.4 M Debrecen, 2013 augusztus 22.

~100 m Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az ET Magyarországon? 2010 április 2-5: A helyszínkiválasztásában résztvevő holland kutatók szeizmológiai méréseket végeztek a Gyöngyösoroszi bányában A Mátra a megvizsgált 11 európai lehetséges helyszín közül a három legesélyesebb között van Debrecen, 2013 augusztus 22.

„A detektor helyszínének kiválasztása során annak szeizmikus jellemzőinél talán fontosabb szerepet játszik majd a detektort befogadni kész állam kutatóinak, a tudományt finanszírozó szervezeteinek és kormányának összehangolt erőfeszítése.” Debrecen, 2013 augusztus 22.

Az ET megvalósításának időrendje A kezdési időpont különféle változók függvénye: A megvalósítási tervek elkészülésének ideje Az Advanced detektorok első direkt detektálása (2017?) Különféle hivatalos döntési mechanizmusok … A döntés megszületése 2017-re tehető, míg építkezés kezdete várhatóan 2019 lesz Az első detektor megépítése Helyszín kiválasztása Az alagutak elkészítése A második detektor megépítése A vákuum-rendszer telepítése Hangolások és az első mérések 50 év! 2017 2019 2021 2023 2025 Debrecen, 2013 augusztus 22.

A jelenleg elképzelt formáció Sematikus ábra A teljes infrastruktúra: Kezdeti fázis: 1 detektor (2 ITF) Értelmes fizikai mérések a feljavított advanced detektorokkal együtt Részleges kiépítettség: 2 detektor (4 ITF) cross-correlation Credits: S. Hild A teljes kiépítettség: 3 detektor (6 ITF) A két polarizációs állapot mérése Debrecen, 2013 augusztus 22.

Összefoglalás: Az első generációs detektorok igazolták, hogy a tervezett érzékenység elérhető A második generációs gravitációshullám-detektorok: Advanced Virgo: Lehetőség az első direkt detektálásra Az első direkt detektálásra való felkészülésben új kereső algoritmusok és módszerek kialakítása Az érzékenység növelése szeizmológiai zajok kiszűrésével A gravitációshullám-csillagászat kezdete az ET megépítése utánra várható Koncepcionális és technikai tervezés Helyszínkiválasztás: A Mátra az egyik lehetséges helyszín Minél szélesebb körű részvételre lenne szükség és lehetőség a Virgo és az ET együttműködésekben WIGNER FK, MME, MTA CSFK, MFGI, ………  rengeteg feladat és lehetőség  OECD = Organization for Economic Cooperation and Development Debrecen, 2013 augusztus 22.

Köszönöm a figyelmet Debrecen, 2013 augusztus 22.