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 LIGO: Messgenauigkeit

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Ü B E R S I C H T    
Heljerer Erstellt am: 24.06.2018 : 22:06:26 Uhr
Hallo zusammen!

Für das LIGO, welches ja bereits erfolgreich Gravitationswellen nachgewiesen haben soll, wird eine Messgenauigkeit von etwa 1/1000 Durchmesser eines Protons angegeben.

Bei aller Hochachtung gegenüber der heutzutage erreichbaren Messgenauigkeit. Aber das geht mir auch nach längerem Nachdenken und Recherchieren im Internet nicht in den Kopf, wie das funktionieren soll.

Immerhin besteht das LIGO selbst ja bekanntlichermaßen aus Atomen, insbesondere gilt das für die Spiegel. Wie will man mit so einer Anordnung interferometrisch Längenänderungen messen, die um den Faktor 1e8 kleiner sind als ein Atom? Kann mir das hier jemand schlüssig erklären?

Gruß
Wolfgang
D I E    6   L E T Z T E N    A N T W O R T E N    (Neue zuerst)
Bikeman Erstellt am: 21.01.2019 : 23:26:03 Uhr
Zitat:
Original erstellt von: UliT63
Im Frühjahr geht laut Artikel auch der japanische Detektor KAGRA online und es werden dann ca. 2 Ereignisse pro Monat erwartet.


So richtig mit dabei (mit längeren Beobachtungsphasen mit einer Empfindlichkeit die mit den LIGOs mithalten kann) wird KAGRA allerdings erst 2020 und 2021 sein, siehe z.B.

https://link.springer.com/article/10.1007/s41114-018-0012-9#Fig2

Was für uns interessant sein könnte (jedenfalls für die ambitionierteren Amateur-Beobachter hier): Bisher war es den Profi-Astronomen vorbehalten, zeitnah über GW Signale benachrichtigt zu werden, und selbst die mussten hierfür ein spezielles MOU (Memorandum of Understaning) unterschreiben, inklusive Bestimmungen zur Vertraulichkeit solcher Benachrichtigungen.

Ab Frühjahr 2019 wird es öffentliche, automatisch generierte Benachrichtigungen innerhalb von wenigen Minuten nach der Entdeckung eines verdächtigen Events geben. Somit hätten dann auch Amateure eine zumindest theoretische Chance, sich an der Suche nach einem optischen Signal eines GW Events zu beteiligen!

Wie sind die Chancen dafür?
Nun, zunächst einmal erwartet man überhaupt nur für eine bestimmte Art von Gravitationswellen-Ereignissen ein optisches Begleitsignal. Wenn z.B. zwei Schwarze Löcher verschmelzen sollte man eigentlich nichts im optischen Bereich sehen können: zum einen sind die Events so selten dass man keins in unmittelbarer Nachbarschaft erwartet, und noch wichtiger: die Theorie sagt in diesem Fall gar kein elektromagnetisches Begleit-Signal voraus. Nix zu sehen, gehen sie weiter...

Verschmelzungen zwischen zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch hingegen sollten auch im optischen sichtbar sein, und wir haben mit GW170817 sogar schon ein Beispiel dafür. Bei diesem Ereignis in ca 40 Mpc Entfernung konnte man 10 Stunden nach der GW Detektion ein optisches Signal mit etwa 17-18 mag messen.

17-18mag ist durchaus im Bereich dessen, was auch Amateure mit eigenen oder online Teleskopen (iTelescope.net etc) aufnehmen könnten. Eines der ersten Profi-Teleskope, die das optische Signal zu GW170817 entdeckt haben, hatte auch "nur" 40 cm Öffnung!

Eine wirkliche Chance hat man allerdings nur wenn man eine Ahnung hat wohin man sein Teleskop richten soll :-). Und da wird es dann kompliziert: Wenn nur zwei der GW-Detektoren das GW Signal sehen ist die Lokalisierung der Richtung, aus der das Signal kam, nur sehr schlecht. Mit etwas Glück wird zeitgleich ein Gamma-Strahlen-Blitz registriert, der aber evtl auch nicht ausreicht um das Ereignis befriedigend im Himmel zu verorten.

Wenn allerdings die beiden LIGO Detektoren und der Virgo Detektor das Event detektieren, dann wird der Ursprung der Quelle schon recht gut lokalisiert. In diesem Fall ist der vorhergesagte Bereich am Himmel, in dem sich mit > 50% Wahrscheinlichkeit die Quelle befindet, bereits i.d.R: kleiner als etwa 10 Quadratgrad. Das hört sich immernoch nach ziemlich viel an (gemessen an dem Sichtfeld eines hinreichend leistungsstarken Teleskops), allerdings sind Events, die von allen drei Detektoren wahrgenommen werden praktisch automatisch in der Nachbarschaft, da die Reichweite des Virgo Detektors geringer ist als die der LIGOs (man hofft auf um die 60-70 Mpc). Und pro Quadratgrad Himmel gibt es in dieser Entfernung nicht ganz so viele Galaxien (wenn ich mich richtig erinnere so um die 1-2 pro deg^2).

Ambitionierte Amateure könnten also folgendes machen: Bei einem GW "Alarm", der von allen drei Detektoren ausgelöst wird, wird als Teil der "Alarmnachricht" auch gleich eine Karte des vermuteten Bereichs der Quelle am Himmel bereitgestellt (mit einer Gewichtung jeder Himmelsregion nach der Wahrscheinlichkeit, die Quelle dort zu finden). Man kann damit dann eine Liste von Galaxien erstellen, von denen eine vermutlich die Quelle enthält. Diese Liste muss man anschließend nach Möglichkeit abarbeiten.

OK, wie stehen die Chancen denn nun genau?

Mit den bisher gemachten Erfahrungen ist eine Vorhersage der Rate von Neutronensternenverschmelzungen in Reichweite der Detektoren schwierig, man rechnet mit 1 bis 10 solcher Events in dem kommenden, einjährigem Beobachtungslauf. Von diesen ist vielleicht jedes zehnte Ereignis so beschaffen, dass er von allen drei Detektoren gemessen wird. Also gibt es vielleicht eine Chance von mind. ca 10% (in einem Jahr) dass es wieder ein solches Event gibt bei dem Amateure einen nützlichen Beitrag leisten könnten, aber vermutlich nicht mehr als ca ein solches Event pro Jahr.

Lohnt es sich, dafür Vorbereitungen zu treffen? Das muss jeder für sich selbst entscheiden, aber natürlich wäre es eine große Sensation wenn es klappen würde!

Eine Beschreibung, wie man solche maschinenlesbaren, automatisch generierten Alarmmeldungen empfangen kann findet man z.B. hier:

https://emfollow.docs.ligo.org/userguide/index.html

Ein recht vollständiger Katalog mit Galaxien bis ca 70 Mpc (soweit sie nicht durch die Milchstraße verdeckt werden), findet man z.B. hier:

http://cdsarc.u-strasbg.fr/viz-bin/cat/VII/267
das entsprechende Paper dazu hier: https://arxiv.org/abs/1103.0695

Eins noch als "Dämpfer" vorweg: die Verantwortlichen auf Seite der GW Detektoren haben bisher NULL Interesse gezeigt, Amateure einzubinden. Emails mit Fragen an die email Adressen, die auf der zitierten Seite von ligo.org verlinkt sind, kann man sich getrost sparen, stattdessen macht es vermutlich deutlich mehr Sinn hier zu diskutieren.

Ich habe mir jedenfalls mit einem Raspberry Pi schon einmal etwas gebaut das bei Bedarf nachts in meinem Schlafzimmer die Beleuchtung einschaltet um mich bei einem entsprechenden, gut lokalisierten Event zu wecken :-). Man kann ja nie wissen. Wäre zu blöd sowas zu verpassen, auch wenn die Wahrscheinlichkeit nicht besonders groß ist. Bereit sein kostet ja nichts.

CS
HBE

EDIT:typos
UliT63 Erstellt am: 21.01.2019 : 20:58:17 Uhr
Hallo,
und die Messgenauigkeit von LIGO ist wohl noch wesentlich höher als erwartet.
Im aktuellen Spektrum der Wissenschaft (2/19) ist ein kleiner Artikel, nach dem im letzten Jahr die Daten von 2017 nochmals mit verbesserten Analysemethoden durchkämmt wurden und dadurch zu den bekannten 4 Ereignissen weitere 4 Erschütterungen der Raumzeit identifiziert wurden.
Die vier Signale waren alle in Entfernungen von über 2.5 Milliarden Lichtjahren und damit wesentlich schwächer. Eines der neuen Signale stammt vom Crash zweier Schwarzen Löcher mit 50 und 34 Sonnenmassen in ca. 5 Milliarden Lichtjahren Entfernung.
Insgesamt wurden bisher (Stand Artikel) 11 Ereignisse identifiziert.
Im Frühjahr geht laut Artikel auch der japanische Detektor KAGRA online und es werden dann ca. 2 Ereignisse pro Monat erwartet.

Gruß
Uli
Bikeman Erstellt am: 25.06.2018 : 12:24:06 Uhr
Zitat:
Original erstellt von: stefan-h
[...]
Ergänzend zur ersten Antwort- man hat auch einen Mittelwert über den zweitlichen Verlauf von Tagen oder Wochen. Änderungen durch externe Einflüsse werden damit erkennbar, dann muss nur überprüft werden- Erbeben oder andere irdische Ursache. Da hilft dann die räumlich weit voneinander getrennte Stellung der beiden LIGO-Observatorien in Hanford und Livingstone.



Naja, nicht so wirklich. LIGO ist nur empfindlich für Signale in einem Frequenzband von ca 10Hz bis einige wenige kHz. Mikroseismik und ähnliche Einflüsse sorgen dafür, dass sich die Spiegel tatsächlich um Größenordnungen mehr als einen Atomdurchmesser relativ zueinander bewegen, aber das tun sie halt mit einer Frequenz unterhalb von 10Hz. Das liegt auch daran dass die Spiegel an mehrstufigen Pendeln aufgehängt sind, die wie ein Frequenzfilter wirken: Alle Bewegungen die von außen versuchen die Spiegel zu bewegen werden durch diese Pendel mechanisch tiefpass-gefiltert. Die niedrigen Frequenzen kommen durch und bewegen die Spiegel, aber für niedrige Frequenzen ist LIGO eben einfach nicht gemacht. Die gemessenen Daten kann man dann durch einen Hochpass-Filter schicken um die niedrigen Störfrequenzen, die man nicht unterdrücken kann, herauszufiltern.


Mittelwerte über den zeitlichen Verlauf über Wochen und Monate spielen hier keine Rolle, zumal die Detektoren öfter mal (teilweise mehrmals am Tag) durch kleinere Erdbeben oder stärkere Erdbeben in großer Entfernung etc so stark angestubst werden dass die Kopplung zwischen den Armen verloren geht. Dann muss dieser Zustand erst wiederhergestellt werden und eine neue Messung beginnt.

Dass man zwei LIGO Standorte hat (Hanford und Livingston (ohne e :-)), und einen dritten VIRGO Detektor in Italien, hat auch damit zu tun dass man so für Events, die nur kurzfristig im Frequenzbereich von LIGO & VIRGO messbar sind, die Himmelsrichtung aus der die Signale kommen bestimmen kann.

CS
HB
stefan-h Erstellt am: 25.06.2018 : 10:55:10 Uhr
Hi Wolfgang,
Zitat:
...wird eine Messgenauigkeit von etwa 1/1000 Durchmesser eines Protons angegeben
Auf den Unterschied zwischen den beiden Messstrecken ist das sogar nur ein Zehntausendstel des Protonendurchmessers bzw. ein mess- und auswertbarer Unterschied von 10^-22.

Ergänzend zur ersten Antwort- man hat auch einen Mittelwert über den zweitlichen Verlauf von Tagen oder Wochen. Änderungen durch externe Einflüsse werden damit erkennbar, dann muss nur überprüft werden- Erbeben oder andere irdische Ursache. Da hilft dann die räumlich weit voneinander getrennte Stellung der beiden LIGO-Observatorien in Hanford und Livingstone.

Gruß
Stefan
Heljerer Erstellt am: 25.06.2018 : 10:31:27 Uhr
Danke für die schnelle Antwort.

Dass nur die Veränderung des Unterschieds der Längen der beiden Messstrecken gemessen wird, war mir schon klar. Der entscheidende Punkt ist offensichtlich, dass der Laserstrahl auf eine relativ große Fläche des Spiegels trifft und dadurch ein geeigneter, stabiler Mittelwert generiert wird. Wie auch immer man das rein praktisch hinkriegt. (grübel...)

Ich denke aber, das reicht mir vorerst als Antwort. Ich habe ja schließlich nicht vor, mir so ein Teil nachzubauen. Danke.

Gruß
Wolfgang
Bikeman Erstellt am: 25.06.2018 : 02:43:11 Uhr
So eine Spiegeloberfläche besteht aber eben aus mehr als einem Atom (das ja zusätzlich auch noch durch die Brownsche Bewegung hin und herzappelt, da die Spiegel bei LIGO Raumtemperatur haben), daher funktioniert das, indem man den Laserstrahl auf eine entsprechend große Fläche des Spiegel fallen lässt (der Laserstrahl ist etwa 6cm breit IIRC, mit entsprechend hoher Laserleistung). Das ergibt eine große Anzahl von Photonen die an dieser Fläche mit verdammt vielen Atomen gespiegelt werden. Außerdem misst man bei einem Interferometer ja nicht die Längenänderung einer einzelnen Messstrecke sondern die Veränderung des Unterschieds der Längen zweier Messstrecken mit der Zeit. Es ist also nicht so dass man die Länge eines Arms so genau messen könnte, nur die zweitweise Änderung des Unterschieds der Armlängen um diese winzige Länge.
CS
HB

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