Telescop Einstein

Telescopul Einstein ( Telescopul Einstein, sau chiar doar ET) este un viitor detector de unde gravitaționale de a treia generație în prezent ( 2020 ) în curs de studiu de către diferite organisme științifice ale Uniunii Europene . ^{[1] [2] [3]} Propunerea telescopului Einstein se bazează pe succesul detectoarelor Advanced LIGO și Advanced Virgo Advanced din a doua generație și pe observațiile acestora care au permis să arunce o nouă lumină asupra științei undelor gravitaționale . La fel ca LIGO și Fecioară, Telescopul Einstein va folosi principiul interferenței a două fascicule de lumină pentru a detecta trecerea unei unde gravitaționale ( interferometru ), mergând chiar mai departe: întreaga structură va fi de fapt construită subteran pentru a atenua perturbările cauzate de zgomotul seismic de mediu; dimensiunea interferometrului va merge de la 3-4 km de detectoare de curent la 10 km; optica va fi răcită la o temperatură de 10 K - 20 K pentru a reduce zgomotul termic; vor fi adoptate noi tehnologii cuantice pentru a reduce fluctuațiile de lumină; o serie de infrastructuri vor fi construite pentru a reduce în continuare alte perturbări ale mediului. În prezent, există două locații candidate pentru a găzdui Telescopul Einstein: regiunea care înconjoară mina Sos Enattos din Sardinia și Euroregiunea Mosa-Rin între Olanda, Belgia și Germania .

Din 2004, ^[4] proiectarea Telescopului Einstein a fost finanțată de Comisia Europeană în cadrul Programului-cadru 6 (PC6) (2004) și al Programului-cadru 7 (PC7) (2008). În 2020 , un consorțiu de state europene și institute de cercetare din Europa a prezentat oficial Forului strategic european pentru infrastructuri de cercetare (ESFRI) propunerea de construire a telescopului Einstein cu sprijinul politic al Italiei, Belgiei , Poloniei și Olandei. . Decizia privind locația finală pentru construirea interferometrului va fi luată până în 2024, pentru a începe lucrările nu mai târziu de sfârșitul deceniului. Sediul provizoriu al Telescopului Einstein se află la Observatorul Gravitațional European , fost site-ul interferometrului Fecioară.

Telescopul Einstein va permite, de asemenea, pentru prima dată, să observe undele gravitaționale provenite din era radiației cosmice de fundal și va permite să găsim răspunsuri la întrebări încă deschise în domeniul cosmologiei și fizicii fundamentale, făcând observații care în prezent sunt imposibile.

Istorie

Același subiect în detaliu: interferometrul LIGO și VIRGO .

Construcția primilor detectori interferometrici ai undelor gravitaționale a avut loc la începutul anilor 90 ai secolului XX și în primii ani ai secolului XXI. În această perioadă, așa-numiții detectoare de primă generație precum LIGO, Virgo, GEO600 și TAMA au devenit operaționale. Scopul acestor primi interferometri a fost de a demonstra eficacitatea principiului lor de funcționare. ^[5] Mai târziu, LIGO și Fecioară au fost actualizate la interferometre de a doua generație sau Advanced, cu adoptarea unor tehnologii care, deși erau deja disponibile în faza primei generații, erau încă testate pe prototipuri la scară mică. Aceste actualizări au făcut posibilă creșterea sensibilității cu aproximativ un factor de 10 în comparație cu prima generație și efectuarea a numeroase observații ale undelor gravitaționale din surse astrofizice. În 2018, a doua generație de detectoare japoneze KAGRA s-a alăturat și LIGO și Fecioarei.

Cu toate acestea, chiar înainte de intrarea în funcțiune a detectoarelor avansate , comunității științifice le-a fost clar că nu pot garanta un raport semnal-zgomot adecvat pentru observații precise și că pot completa în mod adecvat cele ale omologilor lor electromagnetici. Din acest motiv, deja la mijlocul primului deceniu al secolului 21, am început să ne gândim la un detector de a treia generație care ar putea lărgi orizontul observabil de LIGO și Fecioară. Acest nou detector, care în 2008 ar fi fost botezat definitiv Telescopul Einstein, ar fi trebuit să adopte o serie de soluții tehnice avansate pentru a reprezenta un pas semnificativ înainte în comparație cu a doua generație de interferometre gravitaționale. Datorită contribuției fondurilor europene FP6 (2004) și FP7 (2008), în 2011 a fost publicată prima propunere de proiect a telescopului Einstein care prevede o structură subterană pentru a reduce zgomotul cauzat de zgomotul seismic de mediu, optica răcită la 10 K - 20 K pentru a atenua zgomotul termic; vor fi adoptate noi tehnologii cuantice pentru a reduce fluctuațiile de lumină; o serie de infrastructuri vor fi construite pentru a reduce în continuare alte perturbări ale mediului. Mai mult, spre deosebire de LIGO și Fecioară, telescopul Einstein va consta din trei interferometre dispuse într-un triunghi pentru a îmbunătăți capacitatea de a măsura stările de polarizare ale undelor gravitaționale.

Deoarece Telescopul Einstein va fi extrem de sensibil la perturbările cauzate de zgomotul seismic din mediu, alegerea șantierului este crucială. Din acest motiv, candidații au fost propuși inițial printre unele locuri europene considerate deosebit de tăcute din punct de vedere seismic: mina Sos Enattos din Sardinia , Laboratorul subteran Canfranc din Spania , mina Gyongyosoroszi din Ungaria și Euroregiunea Meuse-Rin între Olanda , Belgia și Germania . Până în prezent, doar Sos Enattos și Euroregiunea Meuse-Rin rămân în competiție pentru a găzdui Telescopul Einstein și fac încă obiectul unei serii de studii de caracterizare a mediului. Alegerea finală pentru site este așteptată în 2024.

Mai mult, în septembrie 2020, pe baza succeselor observațiilor LIGO și Virgo, un consorțiu de state europene a prezentat la Forumul strategic european pentru infrastructuri de cercetare (ESFRI) propunerea de construire a telescopului Einstein cu sprijinul politic al Italiei, Belgia , Polonia și Olanda .

Scopul proiectului

Evoluția actualelor detectoare de unde gravitaționale Advanced Fecioară și Advanced LIGO este bine definită. În prezent ^{[ când? ]} au fost actualizate la cel mai avansat nivel și se așteaptă să atingă sensibilitatea maximă prevăzută de proiect în câțiva ani începând cu 2020.

LIGO a făcut primele observații ale undelor gravitaționale în 2015, iar Fecioara a împărtășit acest succes experimental cu prima detectare a undelor gravitaționale observată de trei detectoare ( GW170814 ), urmată în curând de prima detectare a unei fuziuni binare a stelelor de neutroni ( GW170817 ). Cu toate acestea, sensibilitatea necesară pentru a verifica teoria relativității a lui Einstein în prezența câmpurilor puternice, precum și pentru a obține o măsurare precisă a undelor gravitaționale astronomice, în principal a structurilor stelare masive sau a masei foarte asimetrice în sistemele stelare binare, depășește posibilitățile maxime a detectoarelor actuale și a actualizărilor aferente. De exemplu, principala limitare a sensibilității la frecvență joasă a detectoarelor de a doua generație este zgomotul seismic , zgomotul gradient gravitațional corelat și zgomotul termic al ultimei etape a suspensiei și a maselor de testare.

Pentru a evita aceste limitări, sunt necesare noi infrastructuri ^[6] :

• un loc subteran pentru detector, pentru a limita efectul zgomotului seismic;
• sisteme de refrigerare criogenice , pentru răcirea oglinzilor și astfel atenuarea vibrației termice a maselor de testare.

Grup tehnic

Proiectul ET-FP7 se ocupă de răspunsul la problemele de bază legate de construcția telescopului prin cele patru grupuri de lucru tehnice ale sale:

• WP1, identificarea site-ului și a caracteristicilor acestuia;
• WP2, proiectarea și tehnologiile sistemului de suspensie;
• WP3, aspecte topologice și geometrice ale detectorului;
• WP4, identificarea posibilităților de detectare și a potențialului astrofizic.

Participanți

ET este un studiu conceptual și un proiect de implementare inclus în Programul-cadru european (PC7). A fost propus de 8 institute europene de cercetare de vârf în domeniul cercetării și experimentării pe unde gravitaționale, coordonate de Observatorul Gravitațional European : ^[7]

• Observatorul Gravitațional European
• Institutul Național de Fizică Nucleară
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. , prin Institutul Max Planck pentru Fizică Gravitațională
• Centre National de la Recherche Scientifique
• Universitatea din Birmingham
• Universitatea din Glasgow
• NIKHEF ^[8]
• Universitatea Cardiff

Caracteristicile proiectului

Încă din primele etape de studiu și proiectare, au fost stabiliți principalii parametri de bază. ^[9]

La fel ca proiectul KAGRA , ET va fi amplasat în subteran pentru a reduce zgomotul seismic și zgomotul gradientului de gravitație cauzat de obiecte în mișcare în vecinătatea locului ales.

Brațele vor avea o lungime de 10 km (mai mare decât cei 4 km de LIGO și cei 3 km de Fecioară și KAGRA) și, la fel ca în Antena Spațială cu Interferometru Laser (LISA), cele trei brațe vor forma un triunghi echilateral , cu doi detectori în fiecare.vârf.

Pentru a măsura polarizarea undelor gravitaționale care intră în detector și pentru a evita o orientare pentru care telescopul poate să nu fie sensibil la măsurători, sunt necesari cel puțin doi detectori. Deși acest lucru poate fi realizat cu doi interferometri la un unghi de 90 ° poziționat la 45 ° unul față de celălalt, forma triunghiulară permite împărțirea brațelor. Unghiul de 60 ° reduce sensibilitatea fiecărui interferometru, dar acest lucru este compensat de cel de-al treilea detector, iar redundanța suplimentară oferă posibilitatea verificării încrucișate a măsurătorilor efectuate.

Fiecare dintre cei trei detectoare ar trebui să fie alcătuit din doi interferometri, unul optimizat pentru operații sub 30 Hz și unul optimizat pentru operații cu frecvență mai mare .

Interferometrul de joasă frecvență (de la 1 la 250 Hz) va utiliza o optică răcită de 10 K (−441,7 ° F; −263,1 ° C), cu o gamă de putere de aproximativ 18 kW în cavitățile fiecărui braț. ^[9] . Orice interferometru de înaltă frecvență (10 Hz până la 10 kHz) va utiliza optică la temperaturi ambientale și un fascicul circulant de 3 MW mult mai mare ^[9] .

Prototip

Un prototip sau o instalație de testare, numită ET Pathfinder , va fi construită la Universitatea Maastricht din Olanda . ^[10]

Timpi și costuri

Timpul pentru finalizarea infrastructurii este estimat la 9 ani. Efectul economic general al intervenției este estimat la 6,184 miliarde EUR ^[11] .

Site-uri candidate

Site-urile identificate ca candidați pentru a saluta proiectul sunt două ^{[12] [13] [14]} :

• Sos Enattos (Sardinia) în Italia ;
• Euroregiunea Meuse-Rin pentru Belgia , Olanda , Germania .

Site-ul din Sardinia

Sos Enattos (sau Sos Enathos) a fost ales pentru caracteristicile funcționale ale proiectului ^[11] al sitului de pe insulă :

• A fost clasificat drept unul dintre cele mai liniștite locuri de pe pământ ^[15] : perturbarea seismică la detectarea undelor gravitaționale este în esență zero ^[16] .
• Complexul minier care ar constitui baza subterană necesară prevăzută pentru alocarea proiectului.
• Oportunitatea de a alege site-ul italian ar constitui un plan de revigorare fără precedent. S-a calculat că investiția inițială de 6.184 miliarde EUR ar produce o creștere a produsului intern brut de 2.263 miliarde EUR.
• Impactul asupra ocupării forței de muncă ar fi impresionant: în cei 9 ani de construcție, având în vedere efectele directe și induse, ocuparea forței de muncă este estimată la 36.085 de unități, cu un indus local (65-75% din suma totală) egal cu o cifră de afaceri de 4,329 EUR miliarde ^[11] .

În ianuarie 2021 se efectuează cercetări seismologice pentru validarea sitului, instalându-se 15 stații seismometrice în apropierea minei Sos Enattos. ^[17]

Site-ul din zona Meure-Rhin Euregio

Euroregiunea Meuse-Rhin (Meuse-Rhin) ^[18] este o zonă care constituie o regiune neoficială care include teritorii din Belgia, Olanda și Germania.

• Alegerea unui sit în această regiune ^{[19] ar} permite desfășurarea celor trei ramuri ale proiectului pe teritoriile celor trei națiuni individuale.
• Regiunea, pentru a aloca ET în propria sa zonă, a investit 7,5 milioane de euro din fonduri europene ^[20] .

Notă

Bibliografie

• Fundamentele detectoarelor interferometrice de unde gravitaționale de Peter R. Saulson, ISBN 981-02-1820-6 .
• Simfonia neterminată a lui Einstein de Marcia Bartusiak, ISBN 0-425-18620-2 .
• Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves de Harry Collins, ISBN 0-226-11378-7 .
• Călătorind cu viteza gândirii de Daniel Kennefick, ISBN 978-0-691-11727-0 .
• Studiu de proiectare conceptuală a telescopului undelor gravitaționale Einstein ET-0106C-10 .
• ( EN ) Einstein Telescope Science Team, Einstein Telescope: un observator de unde gravitaționale de a treia generație , din clasă. Cant. Grav. , vol. 27, n. 19, 2010.
• ( EN ) Einstein Telescope Science Team, studiu de proiectare conceptuală a telescopului cu unde gravitaționale Einstein , 2011.
• ( EN ) Einstein Telescope Science Team, actualizarea raportului de proiectare ET , 2020.
• ( EN ) Michele Maggiore și colab., Science case for the Einstein telescope , în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , vol. 2020, 2020, DOI : https://doi.org/10.1088/1475-7516/2020/03/050 Verificați valoarea parametrului doi ( ajutor ) .
• ( EN ) Stefan Hild, Simon Chelkowski și Andreas Freise, Împingând spre sensibilitatea ET folosind tehnologia „convențională” , 2008, arXiv : 0810.0604 .

Elemente conexe

• Dovezi ale relativității generale
• EGO , Observatorul Gravitațional European care dirijează Fecioara
• LIGO , un detector de unde gravitaționale situat în Statele Unite
• Fecioara , un detector de unde gravitaționale situat în Italia
• GEO 600 , detector de unde gravitaționale situat în Hanovra , Germania
• Einstein @ Home , un program de analiză a datelor susținut de milioane de utilizatori amatori

V · D · M Astronomia undelor gravitaționale
Unda gravitațională · Detector de unde gravitaționale
Detectoare	Operațional Aigo · AURIGA · CLIO · LIGO · GEO 600 · Kagra · Fecioară · MiniGRAIL Dezafectat ALLEGRO · TAMA 300 · Bară Weber În construcție INDIGO Propus AIGO (șters) · DECIGO · LISA · BBO · Telescop Einstein
Observații	Liste de observații · Prima observație (GW150914) · GW151226 · GW170104 · GW170814 · GW170817 · GW190521 · GW190814
Analiza datelor	Einstein @ home

Portalul de astronomie

Portalul de fizică