IAO 2016, Практически тур, Група β — Задача 6. Обнаружение гравитационных волн

XXI Международная астрономическая олимпиада. Задачи практического тура. Group β · 5 октомври 2016 г. · 12 т.

Об источниках

Русское условие напечатано с пометкой «Только для перевода». Отсутствующие в нём рисунки восстановлены из соответствующей английской версии того же задания. Официальное решение приведено на исходном английском языке; отдельного русского ключа в архиве нет. Английская языковая версия задачи сохраняется отдельно. Баллы для пунктов взяты из официального ключа.

Условие

В 1916 году, через год после окончательной формулировки уравнений общей теории относительности, Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн. По аналогии с электромагнитными волнами, которые излучаются из-за ускорения электрических зарядов, гравитационные волны излучаются благодаря ускорению масс. По аналогии с электромагнетизмом, если неподвижное тело внезапно начнёт движение, гравитационная сила, с которой оно воздействует на пробные массы, изменится. Тем не менее, такое изменение произойдёт не моментально. Информация о том, что данное тело движется будет распространяться со скоростью света в виде гравитационных волн. Когда гравитационная волна достигнет пробных масс, те начнут ускоряться из-за изменения сил гравитации. Тело, движение которого периодические, будет создавать периодические гравитационные волны, и те могут ускорять окружающие пробные массы также периодически.

14 сентября 2015 года два детектора лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) зарегистрировали событие совпадения гравитационного сигнала GW150914, как показано на Рис. 1. Это было первое прямое обнаружение гравитационных волн и первое прямое наблюдение системы двух чёрных дыр, сливающиеся в одну чёрную дыру. Было определено, что расстояние до двойной системы сливающихся чёрных дыр лежит в интервале между 250 Мпк и 600 Мпк, а начальные массы двух чёрных дыр до их слияния – 36±4 M⊙36 \pm 4\ M_{\odot} и 28±4 M⊙28 \pm 4\ M_{\odot} соответственно. После слияния они образовали одну чёрную дыру массой 62±4M⊙62 \pm 4M_{\odot}. Остальная масса была высвобождена в виде энергии гравитационных волн, равной по вычислениям 3,0±0,5 M⊙c23{,}0 \pm 0{,}5\ M_{\odot}c^2, (M⊙=2.0×1030M_{\odot} = 2.0\times10^{30} кг – масса Солнца, c=3,0×108c = 3{,}0\times10^{8} м/с – скорость света в вакууме). Согласно вычислениям пиковая мощность гравитационного излучения в несколько раз превосходила 104910^{49} Вт, что более чем в десять раз превосходит суммарную мощность света, излучаемого всеми звёздами наблюдаемой Вселенной.

Из-за приливных сил гравитационные волны вызывает относительные смещения (ΔL\Delta L) пробных масс, которые пропорциональны расстоянию (LL) между этими пробными массами. Физики определяют амплитуду гравитационных волн с помощью безразмерной величины hh, которая определяется как

h=ΔL/Lh = \Delta L/L

и обычно называется безразмерной деформацией гравитационной волны. Эта величина отложена на графике по вертикальной оси.

Рис.1 из английской версии: сигнал GW150914, кривые Livingston и Hanford, три стадии слияния

Рис1. Гравитационно-волновое событие GW150914, обнаруженное двумя детекторами LIGO. По вертикальной оси показана амплитуда гравитационной волны (деформация hh). Чёрные дыры проходят через следующие стадии слияния (их изображения расположены по горизонтальной оси примерно в соответствии с соответствующими временами):
(1) по спирали, когда обе черные дыры постепенно приближаются друг к другу, (2) слияние, когда чёрные дыры сливаются, (3) конечная стадия, когда новообразованная чёрная дыра сначала слегка осцилирует, прежде чем успокоиться.

В рамках классической ньютоновской механики выпоните следущие задания:

6.1. Используя данные массы обоих чёрных дыр по данным LIGO, приведённым выше, вычислите их радиусы горизонтов до слияния. Оцените погрешность вычисления этих радиусов. [1 т.]

6.2. По данным Рис.1., измеряя полученный сигнал гравитационной волны, найдите орбитальный период системы из двух чёрных дыр в момент слияния. [2,5 т.]

6.3. Используйте только информацию, которую можно получить из Рис.1, оцените полную начальную массу системы из двух чёрных дыр. Нельзя исспользовать ни один из приведенных выше результатов LIGO. [2 т.]

6.4. Выведите формулу для энергии выделеной в виде гравитационных волнах до момента слияния в виде функции зависимости только от начальных масс двух чёрных дыр (M1M_1 and M2M_2). Используя результат, полученный в 6.3., вычичслите полную энергию, излучённую в виде гравитационных волн, считая, что M1=M2M_1 = M_2. [1,5 т.]

6.5. Найдите среднюю мощность PP излучения гравитационных волн в течение последних 0.10 с до слияния. [2 т.]

6.6. Как и в большинстве случаев поток гравитационной волны пропорционален квадрату амплитуды волны. Амплитуда (деформация) в непосредственной близости от двух сливающихся чёрных дыр составляет примерно h=(v/c)2h = (v/c)^2, где v\boldsymbol{v} есть скорость вращения черных дыр. Оцените расстояние до сливающихся чёрных дыр, обнаруженных LIGO. [2 т.]

6.7. Эксперимент LISA нацелен на измерение гравитационных волн от сталкивающихся сверхмассивных чёрных с большим космологическим красным смещением. Оцените, какой должна быть чувствительность LISA в единицах безразмерной деформации. [1 т.]

Отговори

Решение

Справочный лист 2016: параметры орбит, тел и звёзд

Дополнительный справочный лист из архива того же года; в шапке напечатано «Theo». Ограничения на использование дополнительных данных в отдельных пунктах условия сохраняются.

BodyDistance (AU)Distance (10⁶ km)Period (tropical years)Period (days)EccentricityEquatorial diameter (km)Mass (10²⁴ kg)Density (g/cm³)Gravity (m/s²)Maximum magnitudeAlbedo
Sun1.6⋅1091.6\cdot10^92.5⋅10112.5\cdot10^{11}2.2⋅1082.2\cdot10^88⋅10108\cdot10^{10}139200019890001.409−26.8
Mercury0.38757.90.24187.9690.20648790.33025.433.70−2.20.06
Venus0.723108.20.615224.7010.007121044.86905.248.87−4.70.78
Earth1.000149.61.000365.2560.017127565.97425.5159.810.36
Moon0.002570.384400.074827.32170.05534750.07353.341.62−12.70.07
Mars1.524227.91.880686.9800.09367940.64193.943.71−2.00.15
Ceres2.774144.6016810.0779630.00092.160.276.70.09
Jupiter5.204778.611.8624332.590.0481429841899.81.3324.86−2.70.66
Saturn9.5841433.729.45810759.200.054120536568.500.7010.410.70.68
Uranus19.1912871.084.01530685.930.0465111886.6251.308.445.50.74
Neptune30.0714498.6164.77860187.640.00849532102.781.7611.207.80.58
Pluto39.4825906.4248.09906130.24923740.01301.860.6115.10.6
Makemake45.4365906.4306.281118670.16315020.0031.700.400.77
Eris67.668102105572035000.44123260.01672.520.680.90

For outer planets and Moon — in mean opposition. Blank cells are blank in the source.

Данные о некоторых звёздах / Data of some stars

NameDesignationRADECDistanceMagnitudeTemperatureMass
Солнце / Sun☉0h–24h−23°26′ to +23°26′1 au−26.745777 K1 M☉
Бетельгейзе / Betelgeuseα Ori05h55m10s07°24′25″197 pc0.53590 K11.6 M☉
Альфа Центавра / Alpha Centauri A; Bα Cen14h39m36s−60°50′07″1.33 pc−0.01; 1.335810 K; 5260 K1.11 M☉; 0.93 M☉

В таблице Makemake напечатано 45.436 au и 5906.4 млн км; оба исходных значения сохранены. Звёздная величина Солнца напечатана −26.8 в планетной таблице и −26.74 в таблице звёзд.

Справочный лист 2016: константы и формулы

Дополнительный справочный лист из архива того же года; в шапке напечатано «Theo». Ограничения на использование дополнительных данных в отдельных пунктах условия сохраняются.

Constant or formulaValue
Speed of light in vacuum c (m/s)299792458
Constant of gravitation G (N·m²/kg²)6.674⋅10−116.674\cdot10^{-11}
Solar constant A (W/m²)1367
Hubble parameter H₀ (km/s/Mpc), mean68
Hubble parameter, range50–100
Planck constant h (J·s)6.626⋅10−346.626\cdot10^{-34}
Charge of electron e (C)1.602⋅10−191.602\cdot10^{-19}
Mass of electron mₑ (kg)9.109⋅10−319.109\cdot10^{-31}
Proton-to-electron ratio1836.15
Faraday constant F (C/mol)96485
Magnetic constant μ₀ (H/m)1.257⋅10−61.257\cdot10^{-6}
Universal gas constant R (J/mol/K)8.314
Boltzmann constant k (J/K)1.381⋅10−231.381\cdot10^{-23}
Stefan–Boltzmann constant σ (W/m²/K⁴)5.670⋅10−85.670\cdot10^{-8}
Wien displacement constant b (m·K)0.002897
Laboratory wavelength Hα (Å)6562.81
Tropical year length T (days)365.242199
Sidereal year length T (days)365.25636
Anomalistic year length T (days)365.259636
Nodal period of lunar orbit (years)−18.6
Standard atmosphere (Pa)101325
Visible light extinction by terrestrial atmosphere in zenith (minimum)19%, 0.23 magnitudes
Height of homogeneous atmosphere (m)7991
Refractive index of water for 20°C n1.334
Moment of inertia of a solid ballI=25MR2I=\frac25MR^2
Moment of inertia of sphereI=23MR2I=\frac23MR^2
Volume of a ballV=43πR3V=\frac43\pi R^3
Area of sphereS=4πR2S=4\pi R^2
π3.14159265
e2.71828183
Golden ratio φ1.61803399

Оригинал в Архива: 6b_ru.pdf · официални решения: practical_6b-solution.pdf · допълнителни данни: practical_6b.pdf · допълнителни данни: data_1.png · допълнителни данни: data_2.png