Институт гравитационной физики им. Макса Планка: Исследование гравитационных волн и теории относительности.

Институт гравитационной физики им. Макса Планка: исследования теории относительности Эйнштейна, гравитационных волн и квантовой гравитации. Германия.

8 мин чтения

100%

Источник: Max Planck Institute for Gravitational Physics — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Институт Макса Планка по гравитационной физике (Институт Альберта Эйнштейна) — это Институт Макса Планка, исследования которого направлены на изучение теории относительности Эйнштейна и областей, выходящих за её рамки: математика, квантовая гравитация, астрофизическая относительность и астрономия гравитационных волн. Институт был основан в 1995 году и расположен в Потсдамском научном парке в Гольме, Потсдаме, а также в Ганновере, где тесно сотрудничает с Лейбницким университетом Ганновера. Как потсдамское, так и ганноверское отделения института организованы в три исследовательских отдела и принимают ряд независимых исследовательских групп. Институт проводит фундаментальные исследования в области математики, анализа данных, астрофизики и теоретической физики, а также исследования в области лазерной физики, вакуумных технологий, виброизоляции, классической и квантовой оптики. Когда Научное сотрудничество LIGO объявило о первом обнаружении гравитационных волн, исследователи института принимали участие в моделировании, регистрации, анализе и характеризации сигналов. Институт является частью ряда коллабораций и проектов: он является основным партнером в гравитационно-волновом детекторе GEO600; ученые института разрабатывают модели волновых форм, которые используются в гравитационно-волновых детекторах для регистрации и характеризации гравитационных волн. Они разрабатывают детекторы и анализируют данные, полученные с детекторов LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration и KAGRA Collaboration. Они также играют ведущую роль в планировании и подготовке космического детектора LISA (планируемая дата запуска: 2034) и участвуют в разработке третьего поколения наземных гравитационно-волновых детекторов (телескоп Эйнштейна, Cosmic Explorer). Институт также является ключевым участником проектов Einstein@Home и PyCBC. С 1998 по 2015 год институт издавал журнал с открытым доступом Living Reviews in Relativity.

История

Недавно основанный институт начал свою деятельность в апреле 1995 года и с 1999 года располагается в Потсдаме-Гольме. В 2002 году институт открыл филиал при Университете Ганновера, специализирующийся на анализе данных, а также на разработке и эксплуатации детекторов гравитационных волн как на Земле, так и в космосе. Ганноверский филиал вырос из Института атомной и молекулярной физики (AMP) Университета Ганновера, основанного в 1979 году физическим факультетом.

Департаменты

Отдел астрофизической и космологической относительности Алессандра Буонано в АЭИ Потсдам решает задачу двух тел в общей теории относительности аналитически и численно, и предсказывает сигналы гравитационных волн, испускаемые двойными системами, состоящими из черных дыр и нейтронных звезд. Сотрудники отдела используют эти модели волновых форм для получения астрофизической и космологической информации и проведения тестов общей теории относительности, используя данные с детекторов гравитационных волн. Отдел вычислительной релятивистской астрофизики Масару Шибаты в АЭИ Потсдам изучает слияния черных дыр или нейтронных звезд и коллапс звездных ядер. Отдел также работает над более фундаментальными аспектами общей теории относительности с использованием численных методов. Отдел квантовой гравитации и унифицированных теорий (и.о. директора с августа 2020 года: Алессандра Буонано) в АЭИ Потсдам занимается разработкой квантовой теории гравитации, основанной на конформной теории поля, теории струн и супергравитации, а также симметриях. Исследовательская группа отдела лазерной интерферометрии и гравитационной астрономии Карстена Данцмана в АЭИ Ганновер занимается разработкой и эксплуатацией детекторов гравитационных волн на Земле и в космосе. Это включает в себя лабораторные эксперименты в области квантовой оптики и лазерной физики. Отдел "Обсервативная относительность и космология" Брюса Аллена в АЭИ Ганновер изучает наблюдательные следствия общей теории относительности, включая поиск и анализ сигналов гравитационных волн в данных с наземных детекторов и работу над проектом Einstein@Home. Отдел также занимается поиском гамма-всплесков и радиопульсаров, а также теоретическими аспектами черных дыр. Отдел "Точная интерферометрия и фундаментальные взаимодействия" в АЭИ Ганновер, возглавляемый Гидо Мюллером, фокусируется на LISA и других космических и наземных исследованиях гравитационных волн, а также на поиске фундаментальных взаимодействий за пределами стандартной модели с использованием лазерно-оптических методов.

Alessandra Buonanno’s Astrophysical and Cosmological Relativity department at AEI Potsdam solves the two body problem in general relativity analytically and numerically, and predicts gravitational wave signals emitted by binary systems composed of black holes and neutron stars. Members of the department use those waveform models to infer astrophysical and cosmological information, and carry out tests of general relativity, using data from gravitational wave detectors. Masaru Shibata's Computational Relativistic Astrophysics department at AEI Potsdam studies mergers of black holes or neutron stars and the collapse of stellar cores. The department also works on more fundamental aspects of general relativity with numerical tools. The Quantum Gravity and Unified Theories department (acting director since August 2020: Alessandra Buonanno) at AEI Potsdam works on the development of a quantum theory of gravity, based on conformal field theory, string theory, and supergravity and symmetries. The research focus of Karsten Danzmann’s department Laser Interferometry and Gravitational Wave Astronomy at AEI Hannover is on the development and operation of gravitational wave detectors on Earth and in space. This includes laboratory experiments in quantum optics and laser physics. Bruce Allen’s department Observational Relativity and Cosmology at AEI Hannover studies observational consequences of general relativity, including the search for and analysis of gravitational wave signals in data from ground based detectors, and the operation of the Einstein@Home project. The department also works on searches for gamma ray and radio pulsars, and on theoretical aspects of black holes. The department Precision Interferometry and Fundamental Interactions at AEI Hannover, led by Guido Müller, focuses its activity on LISA and other space based and ground based gravitational wave astronomy and on searches for fundamental interactions beyond the standard model using laser optical methods.

Независимые исследовательские группы

Бинарные наблюдения за слияниями и численная относительность (под руководством Фрэнка Ома) в AEI Hannover. Независимая исследовательская группа занимается анализом данных гравитационных волн и прогнозированием форм волн сигналов от слияния черных дыр и нейтронных звезд. Исследования основаны на численном моделировании этих процессов. Исключительная квантовая гравитация (группа в статусе эмеритуса, возглавляемая Германом Николаем) в AEI Potsdam. Эта исследовательская группа финансируется грантом ERC Advanced Grant. Ее исследования посвящены симметричному подходу к построению непротиворечивой теории квантовой гравитации. Историческая эпистемология программы "Окончательная теория" (под руководством Александра Блума) в AEI Potsdam. Эта исследовательская группа фокусируется на истории поиска теории квантовой гравитации. Группа является совместной исследовательской группой Института истории науки им. Макса Планка в Берлине и Института гравитационной физики им. Макса Планка в Потсдаме. Многоканальная астрофизика компактных двойных систем (под руководством Тима Дитриха) в AEI Potsdam. Эта исследовательская группа им. Макса Планка изучает электромагнитное и гравитационное излучение при слиянии двойных нейтронных звезд, используя методы численной относительности.

Усовершенствованные LIGO и Virgo

В AEI Ганновер и AEI Потсдам существуют две группы научного сотрудничества LIGO, занимающиеся теорией и анализом данных детекторов LIGO и Virgo. В AEI Ганновер также есть группа GEO, работающая над различными экспериментальными задачами. Исследователи AEI в Потсдаме и Ганновере анализируют данные LIGO и Virgo. Они также разрабатывают прогнозы гравитационных волн, используемые для поиска слияний черных дыр и нейтронных звезд и их интерпретации. AEI Ганновер является партнерской организацией в проекте Advanced LIGO и внесла вклад в разработку предварительно стабилизированной лазерной системы для современных детекторов LIGO в Ханфорде и Ливингстоне. Исследователи AEI участвуют в наладке и эксплуатации интерферометров Advanced LIGO. В начале 2018 года исследователи из AEI Ганновер разработали, построили и помогли установить источник сжатого света на детекторе гравитационных волн Advanced Virgo. Во время третьего совместного периода наблюдений гравитационно-волновыми детекторами он уменьшил квантово-механический фоновый шум примерно на треть, увеличив ожидаемую частоту обнаружения слияний двойных нейтронных звезд до 26%.

Телескоп Эйнштейна

Исследователи из AEI участвуют в планировании, разработке и научном обосновании телескопа Эйнштейна (ET) – детектора гравитационных волн третьего поколения в Европе. Сопредседатель управляющего комитета ET работает в AEI Ганновер, а разработка лазерных технологий для прототипа ET в Маастрихте ведется в AEI Ганновер. Исследователи АЭИ Потсдам вносят вклад в разработку моделей волновых форм для детекторов гравитационных волн третьего поколения, таких как телескоп Эйнштейна.

GEO600

Детектор гравитационных волн GEO600, расположенный к югу от Ганновера, был разработан и управляется учеными из Института гравитационной физики имени Макса Планка и Лейбницского университета Ганновера совместно с партнерами из Великобритании.

ЛИЗА ПАТФИНДЕР

LISA Pathfinder — это испытательная миссия ESA для космической антенны лазерного интерферометра (LISA). Она продемонстрировала ключевые технологии для обнаружения гравитационных волн в космосе. Институт гравитационной физики имени Макса Планка в Ганновере и Институт гравитационной физики Лейбницского университета Ганновера несли ответственность за немецкий вклад в миссию и координировали его. В ходе операционной фазы исследователи Института Макса Планка и Лейбницского университета Ганновера были партнерами в анализе данных миссии, а также играли ведущую роль в разработке программного обеспечения для анализа LTPDA — набора инструментов MATLAB. Сотрудник AEI участвовал в дежурных сменах по управлению миссией в ESOC.

ЛИЗА

Космическая обсерватория гравитационных волн LISA разрабатывается под руководством Европейского космического агентства (ЕКА) в сотрудничестве с научным консорциумом. Консорциум LISA возглавляет директор Института гравитационно-волновой физики им. Альберта Эйнштейна (AEI) Карстен Данцманн. В AEI Hannover расположены крупные лаборатории для проведения экспериментов по лазерной интерферометрии LISA.

Грейс, продолжение

GRACE FO — это спутниковая геодезическая миссия, предназначенная для получения детальных измерений гравитационного поля Земли и его временных и пространственных изменений посредством интерферометрических измерений расстояния между двумя спутниками. Лазерный дальномерный интерферометр, используемый для этой цели, является результатом сотрудничества NASA и немецких партнеров, при этом немецкий вклад координируется AEI. Концепция прибора, его прототипы и технические характеристики были разработаны в AEI. Исследователи AEI принимали участие в разработке и испытаниях бортового оборудования.

Высшая программа

Институт участвует в двух Международных исследовательских школах Макса Планка (IMPRS). Эти исследовательские школы – это аспирантские программы, реализуемые институтами Макса Планка в партнерстве с местными университетами и предлагающие получение степени Ph.D. IMPRS по математическим и физическим аспектам гравитации, космологии и квантовой теории поля сотрудничает с Институтом математики Потсдамского университета, Институтом физики Гумбольдтского университета, IIT Бомбей, Ченнайским математическим институтом и Институтом теоретической физики Китайской академии наук.

IMPRS по астрономии гравитационных волн функционирует в двух взаимодействующих подразделениях: в Ганновере и в Потсдам-Гольме. Ганноверское подразделение сотрудничает с Лейбницким университетом Ганновера и Лазерным центром Ганновера e. V. Потсдамское подразделение сотрудничает с Гумбольдтским университетом, Потсдамским университетом и Институтом астрофизики Лейбница. Оно также сотрудничает с IMPRS по математическим и физическим аспектам гравитации, космологии и квантовой теории поля (также расположенной в AEI Potsdam), магистерской программой по астрофизике Потсдамского университета, Астрофизической сетью Потсдама, Институтом теоретической физики Юкава при Киотском университете и Университетом Мэриленда.

Весенняя школа Юрген Элерса

Институт ежегодно проводит двухнедельную весеннюю школу для 40 иностранных студентов, изучающих математику и физику. Каждый год лекции, практические занятия и дискуссии посвящены различным темам, соответствующим направлениям исследований института. Лекции читают научные сотрудники института. Весенняя школа имени Юргена Элерса была основана в 2000 году и названа в честь первого директора института, Юргена Элерса.

Общественные мероприятия

В рамках просветительской деятельности института проводятся Дни открытых дверей в AEI Potsdam и на детекторах гравитационных волн GEO600, участие в Днях девочек и Днях будущего, популярные лекции исследователей, участие в "November der Wissenschaft" в Ганновере, экскурсии по институтам, включая отдельные лаборатории и компьютерные кластеры, а также программа посещений и выступлений исследователей в старших классах школ.

Эйнштейн онлайн

Институт поддерживает популярный научно-популярный веб-портал Einstein Online, представляющий собой гипертекстовую сеть со статьями вводного и углубленного уровня, посвященными теории относительности Эйнштейна и ее следствиям.

Журналист в резиденции

С 2018 года институт реализует программу "Журналисты в резиденции" для научных журналистов. Цель программы – улучшить взаимодействие между журналистами и учеными и предоставить более глубокое понимание исследований, проводимых в институте.

Эйнштейн@Home

Институт совместно с Университетом Висконсин-Милуоки является одним из двух принимающих организаций распределенного волонтерского вычислительного проекта Einstein@Home. Einstein@Home объединяет вычислительные ресурсы компьютеров добровольцев для поиска сигналов от вращающихся нейтронных звезд в данных, полученных от гравитационно-волновых детекторов LIGO, крупных радиотелескопов и космического гамма-телескопа Ферми.