LIVINGSTON, La. - Asi kilometer a pol od budovy tak veľkej, že ju vidíte z vesmíru, každé auto na ceste spomaľuje na plazenie. Vodiči vedia brať rýchlostný limit 16 km / h veľmi vážne: Je to preto, že v budove sa nachádza masívny detektor, ktorý loví nebeské vibrácie v najmenšom možnom rozsahu. Niet divu, že je citlivý na všetky pozemské vibrácie v okolí, od hrmenia prechádzajúceho automobilu po prírodné katastrofy na druhej strane zemegule.
Výsledkom je, že vedci, ktorí pracujú na jednom z detektorov LIGO (Gravitačné vlnové observatórium s laserovým interferónom), musia ísť do mimoriadnych dĺžok, aby odstránili a odstránili všetky potenciálne zdroje hluku - spomalili prevádzku okolo detektora a monitorovali každý drobný tras v detektore. zem, dokonca pozastavenie zariadenia zo štvornásobného kyvadlového systému, ktorý minimalizuje vibrácie - to všetko v snahe vytvoriť najtichšie vibračné miesto na Zemi.
„Všetko sa týka lovu hluku,“ uviedla Janeen Romie, vedúca detektorsko-inžinierskej skupiny pri detektore LIGO v Louisiane.
Prečo sú fyzici LIGO tak posadnutí odstraňovaním hluku a vytváraním miesta bez vibrácií na planéte? Aby ste tomu porozumeli, musíte vedieť, aké sú gravitačné vlny a ako ich LIGO v prvom rade zisťuje. Podľa všeobecnej relativity sú priestor a čas súčasťou toho istého kontinua, ktoré Einstein nazýval časopriestor. A v časovom priestore môžu rýchlo sa zrýchľujúce masívne objekty vytvárať gravitačné vlny, ktoré vyzerajú ako vlnky, ktoré vyžarujú smerom von, keď sa na povrch rybníka dostane kamienok. Tieto vlny odhaľujú napínanie a kontrakciu textílie samotného vesmíru.
Ako meráte zmeny v samotnom časopriestore, keď by akékoľvek meracie zariadenie zaznamenalo rovnaké zmeny? Dômyselné riešenie je to, čo sa nazýva interferometer. Spolieha sa na skutočnosť, že gravitačné vlny sa napínajú časopriestorom v jednom smere, zatiaľ čo sa sťahujú v kolmom smere. Pomysli na bóju na vode: Keď vlna prechádza, vlieva sa hore a dole. V prípade gravitačnej vlny vyžarovanej naprieč Zemou všetko osciluje tak trochu dozadu a dopredu, namiesto hore a dole.
Detektor LIGO je tvorený laserovým zdrojom svetla, deličom lúčov, niekoľkými zrkadlami a detektorom svetla. Svetlo opúšťa laser, pomocou rozptyľovača lúčov sa rozdeľuje na dva kolmé lúče, potom putuje rovnakými vzdialenosťami po ramenách interferometra k dvom zrkadlám, kde sa svetlo odrazí späť do ramien. Oba lúče potom narazia na detektor, ktorý je umiestnený oproti jednému z odrazových zrkadiel. Keď gravitačná vlna prechádza interferometrom, robí jedno z ramien o niečo dlhšie a druhé o niečo kratšie, pretože napína priestor v jednom smere, zatiaľ čo ho stláča v inom. Táto nekonečne malá zmena sa zaregistruje vo vzore svetla dopadajúceho na svetlo detektor. Úroveň citlivosti LIGO je ekvivalentná „zmeraniu vzdialenosti k najbližšej hviezde (asi 4,2 svetelných rokov) s presnosťou menšou ako je šírka ľudských vlasov“, podľa webovej stránky spolupráce LIGO.
Aby vedci dokázali odhaliť šírku vlny týchto vlasov, idú do extrémnych dĺžok, aby eliminovali akékoľvek potenciálne poruchy tohto jemne vyladeného usporiadania, uviedol Carl Blair, postdoktorandský vedec v LIGO, ktorý študuje optomechaniku alebo interakciu svetla s mechanickými systémami.
Na začiatok sú ramená s dĺžkou 2,5 km (4 km) v jednom z najdokonalejších vákuov na svete, čo znamená, že je takmer bez molekúl, takže nič nemôže rušiť cestu lúča. Detektory sú tiež obklopené najrôznejšími zariadeniami (napr. Seizmometre, magnetometre, mikrofóny a gama detektory), ktoré merajú poruchy údajov a odstraňujú ich.
Všetko, čo by mohlo interferovať alebo byť nesprávne interpretované ako signál gravitačnej vlny, musí byť tiež odstránené a odstránené, povedal Blair. Patria sem nedokonalosti v samotnom detektore - čo sa nazýva šum - alebo ne astrofyzické poruchy, ktoré nástroj zachytí - čo sa nazýva závada. Fyzici musia dokonca zodpovedať za vibrácie atómov, ktoré tvoria zrkadlo detektora, a náhodné kolísanie prúdu v elektronike. Vo väčšej miere môžu byť závady čokoľvek od prechádzajúceho nákladného vlaku po smädného havrana.
A závady môžu byť naozaj chúlostivé na nechty. Keď sa Arnaud Pele pripojil k tímu technikov detektorov v spoločnosti LIGO, mal za úlohu zistiť, odkiaľ prichádzajú mimoriadne rušivé poruchy: prístroje, ktoré merali pohyb pôdy okolo detektorov gravitačnej vlny, nezaznamenávali konštantný bodec, a nikto vedel prečo. Po niekoľkých mesiacoch prenasledovania našiel vinníka: nenáročnú horninu umiestnenú medzi zemou a niektorými mechanickými pružinami pod ventilačným systémom. Kvôli skale nemohli pružiny zabrániť detekcii vibrácií ventilátora v detektore, čo spôsobilo tajomný signál. „Je to skutočne zábavná súčasť mojej práce, robiť detektívne veci,“ povedal Pele. "Väčšinou sú to jednoduché riešenia." Pri hľadaní nekonečne malých vibrácií z ďalekých dosahov vesmíru môže byť skutočná práca veľmi na Zemi.
Najdôležitejšie sú pravdepodobne tri detektory: Okrem detektora v Louisiane je ešte jeden v Hanforde vo Washingtone a tretí v Taliansku: „Ak je niečo skutočné, musí vyzerať rovnako vo všetkých detektoroch,“ uviedol člen spolupráce LIGO. Salvatore Vitale, odborný asistent fyziky na MIT. Ak ide o nákladný vlak alebo skalu pod pružinou, zobrazí sa iba v jednom z troch detektorov.
Vďaka všetkým týmto nástrojom a niektorým veľmi sofistikovaným algoritmom sú vedci schopní kvantifikovať pravdepodobnosť, že signál je skutočne gravitačná vlna. Môžu dokonca vypočítať mieru falošných poplachov pre danú detekciu alebo možnosť, že by sa náhodný presný signál objavil. Napríklad jedna z udalostí zo začiatku leta mala falošnú poplachovú frekvenciu menej ako raz za 200 000 rokov, čo z nej urobilo veľmi presvedčivého kandidáta. Budeme si však musieť počkať, kým sa neskončí konečný rozsudok.
Podávanie správ pre tento článok bolo čiastočne podporené grantom Národnej vedeckej nadácie.
