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 – и соответственно. После слияния они образовали одну чёрную дыру массой . Остальная масса была высвобождена в виде энергии гравитационных волн, равной по вычислениям , ( кг – масса Солнца, м/с – скорость света в вакууме). Согласно вычислениям пиковая мощность гравитационного излучения в несколько раз превосходила 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 () пробных масс, которые пропорциональны расстоянию () между этими пробными массами. Физики определяют амплитуду гравитационных волн с помощью безразмерной величины , которая определяется как
и обычно называется безразмерной деформацией гравитационной волны. Эта величина отложена на графике по вертикальной оси.

Рис1. Гравитационно-волновое событие GW150914, обнаруженное двумя детекторами LIGO. По вертикальной оси показана амплитуда гравитационной волны (деформация ). 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 ( and ). Используя результат, полученный в 6.3., вычичслите полную энергию, излучённую в виде гравитационных волн, считая, что . [1,5 т.]
6.5. Найдите среднюю мощность 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 , где 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
6.1. 107+/-12 km and 83+/-12 km
6.2. 0.0092 s
T = 0.0092 ± 0.0012 s; the tolerance is the printed uncertainty.
6.3. 105 Msun
M1+M2 = 105±13 solar masses; the tolerance is the printed uncertainty.
6.4.
6.5. W
6.6. 1.7 Gpc
Order-of-magnitude estimate: d ~ 1.7 Gpc.
6.7. hmin ~ from 10⁻¹⁸ to 10⁻¹⁴ for the range of masses corresponding to SMBHs
Решение
Официальное решение на английском языке / Official solution in English.
The gravitational constant is or .
6.1
The initial masses of the two black holes are and . Their Schwarzschild radii are calculated using , which gives 107+/-12 km and 83+/-12 km. The errors are calculated using ().
6.2
A good estimate of the precision of the measurements can be gained by comparing the Hanford and Livingston signals. At the time of the merger, we see two strong maxima and a minimum of the signal. For them, the time-axis intercepts for the Livingston signal are approximately at:
[0.4190, 0.4215, 0.4234, 0.4259] s
while for the Hanford signal, they are at:
[0.4193, 0.4217, 0.4239, 0.4259] s
These correspond to half-periods of:
[0.0025, 0.0019, 0.0025] sec
[0.0024, 0.0022, 0.0020] sec
for the two signals, respectively.
Assuming those measurements are both independent and representative for the time of the merger, taking the average and standard deviation of those, we get the half-period of the signal to be:
An attempt at a more accurate determination can be made by building a P(t) diagram.
The signal has close to symmetric minima and maxima, and the trends of both the maxima and the minima are consistent across both the odd and even peaks. This symmetry implies that the signal is emitted from a binary system with two components of roughly equal masses, as confirmed by the LIGO results.
Therefore, from the symmetry of the configuration of the system, the signal must be identical irrespective of which of the initial black holes is closer to us while they orbit each other. Thus, the signal must have a period of exactly half of the orbital period of the black holes. Therefore, the orbital period at the time of the merger must be 4 times larger than the half-period of the signal quoted above.
Thus, we can conclude that the orbital period is:
6.3
Assuming circular orbits and Newtonian mechanics, we can apply Kepler's third law:
where the semi-major axis at the moment of the merger is simply:
We can combine the two equations above to solve for the total mass:
Using the value for the period we obtained in II.b, we find:
6.4
In Newtonian mechanics, the gravitational potential energy of the system is
For a circular orbit the kinetic energy is , and so the mechanical energy is given by
which at large separations tends to zero. Assuming, the orbits are close to circular, and using a semi-major axis of at the time of the merger, we obtain that the change in mechanical energy of the binary system until the moment of the merger is given by:
which should equal the total energy emitted in gravitational waves. Plugging in the numerical results obtained so far, and the assumption M1=M2, we find:
6.5
We will find the period around . The two maxima are around that time are at:
and
The period of the signal is then (errors added in quadrature). This implies an orbital period which is twice larger (see II.b):
at 0.10 s before the outburst
Combining the expression for the mechanical energy:
with Kepler's third law:
we can find the mechanical energy in the initial moment. We obtain:
Our previous estimate of E was made in 6.4.:
at
Thus, the change of mechanical energy of the system is:
over a time interval of 0.1s
This corresponds to average power of emission for the chosen time interval, which equals:
6.6
We are told that the flux (F) is proportional to . We also know that for any wave, F is inversely proportional to the square of the distance (d). Then h and d must be inversely related (, ). Thus, we can set up the following ratio:
for any two points outside the black holes.
Right next to the two black holes (at a distance ) from the center of masses), the strain is . We can estimate the distance d via
where h is the strain measured here on Earth. From the figure, .
If we approximate the orbital velocity at the time of merging as circular, if would be
Therefore, to an order of magnitude .
6.7
Supermassive black holes span the range from to . Using a cosmological distance of to such merging sources, combined with our result for how the strain scales with distance from the previous part of the problem:
we get:
from to
for the signal from such merging SMBHs. To be detectable, we need a non-trivial signal-to-noise ratio, and thus we can put the minimum sensitivity requirement at
from to for the range of masses, corresponding to SMBHs.
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.
| Body | Distance (AU) | Distance (10⁶ km) | Period (tropical years) | Period (days) | Eccentricity | Equatorial diameter (km) | Mass (10²⁴ kg) | Density (g/cm³) | Gravity (m/s²) | Maximum magnitude | Albedo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sun | 1392000 | 1989000 | 1.409 | −26.8 | |||||||
| Mercury | 0.387 | 57.9 | 0.241 | 87.969 | 0.206 | 4879 | 0.3302 | 5.43 | 3.70 | −2.2 | 0.06 |
| Venus | 0.723 | 108.2 | 0.615 | 224.701 | 0.007 | 12104 | 4.8690 | 5.24 | 8.87 | −4.7 | 0.78 |
| Earth | 1.000 | 149.6 | 1.000 | 365.256 | 0.017 | 12756 | 5.9742 | 5.515 | 9.81 | 0.36 | |
| Moon | 0.00257 | 0.38440 | 0.0748 | 27.3217 | 0.055 | 3475 | 0.0735 | 3.34 | 1.62 | −12.7 | 0.07 |
| Mars | 1.524 | 227.9 | 1.880 | 686.980 | 0.093 | 6794 | 0.6419 | 3.94 | 3.71 | −2.0 | 0.15 |
| Ceres | 2.77 | 414 | 4.60 | 1681 | 0.077 | 963 | 0.0009 | 2.16 | 0.27 | 6.7 | 0.09 |
| Jupiter | 5.204 | 778.6 | 11.862 | 4332.59 | 0.048 | 142984 | 1899.8 | 1.33 | 24.86 | −2.7 | 0.66 |
| Saturn | 9.584 | 1433.7 | 29.458 | 10759.20 | 0.054 | 120536 | 568.50 | 0.70 | 10.41 | 0.7 | 0.68 |
| Uranus | 19.191 | 2871.0 | 84.015 | 30685.93 | 0.046 | 51118 | 86.625 | 1.30 | 8.44 | 5.5 | 0.74 |
| Neptune | 30.071 | 4498.6 | 164.778 | 60187.64 | 0.008 | 49532 | 102.78 | 1.76 | 11.20 | 7.8 | 0.58 |
| Pluto | 39.482 | 5906.4 | 248.09 | 90613 | 0.249 | 2374 | 0.0130 | 1.86 | 0.61 | 15.1 | 0.6 |
| Makemake | 45.436 | 5906.4 | 306.28 | 111867 | 0.163 | 1502 | 0.003 | 1.70 | 0.40 | 0.77 | |
| Eris | 67.668 | 10210 | 557 | 203500 | 0.441 | 2326 | 0.0167 | 2.52 | 0.68 | 0.90 |
For outer planets and Moon — in mean opposition. Blank cells are blank in the source.
Данные о некоторых звёздах / Data of some stars
| Name | Designation | RA | DEC | Distance | Magnitude | Temperature | Mass |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Солнце / Sun | ☉ | 0h–24h | −23°26′ to +23°26′ | 1 au | −26.74 | 5777 K | 1 M☉ |
| Бетельгейзе / Betelgeuse | α Ori | 05h55m10s | 07°24′25″ | 197 pc | 0.5 | 3590 K | 11.6 M☉ |
| Альфа Центавра / Alpha Centauri A; B | α Cen | 14h39m36s | −60°50′07″ | 1.33 pc | −0.01; 1.33 | 5810 K; 5260 K | 1.11 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 formula | Value |
|---|---|
| Speed of light in vacuum c (m/s) | 299792458 |
| Constant of gravitation G (N·m²/kg²) | |
| Solar constant A (W/m²) | 1367 |
| Hubble parameter H₀ (km/s/Mpc), mean | 68 |
| Hubble parameter, range | 50–100 |
| Planck constant h (J·s) | |
| Charge of electron e (C) | |
| Mass of electron mₑ (kg) | |
| Proton-to-electron ratio | 1836.15 |
| Faraday constant F (C/mol) | 96485 |
| Magnetic constant μ₀ (H/m) | |
| Universal gas constant R (J/mol/K) | 8.314 |
| Boltzmann constant k (J/K) | |
| Stefan–Boltzmann constant σ (W/m²/K⁴) | |
| 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 n | 1.334 |
| Moment of inertia of a solid ball | |
| Moment of inertia of sphere | |
| Volume of a ball | |
| Area of sphere | |
| π | 3.14159265 |
| e | 2.71828183 |
| Golden ratio φ | 1.61803399 |
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