COLUMBUS, Ohio - Detektor gravitačnej vlny dlhý 2,5 km nie je v pohode. Vieš, čo je v pohode? 25-míľový detektor gravitačnej vlny.
To je výsledok niekoľkých rozhovorov, ktoré sa tu uskutočnili sobotu (14. apríla) na aprílovom stretnutí Americkej fyzickej spoločnosti. Budúca generácia detektorov gravitačných vĺn sa bude dívať až k vonkajšiemu okraju pozorovateľného vesmíru a bude hľadať vlnky v samotnej štruktúre časopriestoru, čo by Einstein predpovedal, že by nastalo, keď by sa zrazili masívne objekty, ako sú čierne diery. Boli však v ceste ich výstavbe stále nejaké významné výzvy, uviedli prednášajúci publiku.
„Súčasné detektory, o ktorých si možno myslíte, že sú veľmi citlivé,“ povedal publiku Matthew Evans, fyzik z MIT. "A to je pravda, ale sú to aj tie najmenej citlivé detektory, pomocou ktorých môžete zistiť gravitačné vlny."
Súčasné detektory, samozrejme, nie sú na čo kýchať. Keď v roku 2015 laserové interferónové gravitačné observatórium s vlnovou dĺžkou 2,5 km (LIGO) v roku 2015 prvýkrát zistilo rast a zmenšovanie časopriestoru - gravitačná echa 1,3 miliárdročnej kolízie medzi dvoma čiernymi dierami - dokázala existenciu obrovských, neviditeľných gravitačných vĺn, ktoré boli kedysi úplne teoretické, a viedla len za dva roky k Nobelovej cene za tvorcov LIGO.
LIGO a jeho bratranec, taliansky nástroj Panna s dĺžkou 1,9 km (3 km), sú však v zásade obmedzené. Oba detektory dokážu v rozsahu celého vesmíru pozorovať gravitačné vlny od objektov, ktoré sú relatívne blízko Zeme, uviedol fyzik MIT Salvatore Vitale. Sú tiež obmedzené v druhoch objektov, ktoré môžu zistiť.
Doteraz sa v súčasnej generácii interferometrov skutočne vyskytli iba dva hlavné výsledky: detekcia fúzií čiernych dier v roku 2015 a detekcia zrážok dvoch neutrónových hviezd v auguste 2017 (tiež horúca téma na konferencii). Zistilo sa niekoľko ďalších kolízií čiernych dier, ale neponúkali veľa v ceste k ohromujúcim výsledkom na vrchole prvej detekcie.
Zostavte zväčšené, presnejšie LIGO a Virgos alebo iný druh detektora veľkého rozsahu nazývaného „Einsteinov ďalekohľad“, povedal Evans a rýchlosť detekcie vĺn by sa mohla každý rok skákať z jedného na niekoľko miliónov na viac ako 1 milión. ,
„Keď poviem, že tieto detektory nás dostanú na okraj vesmíru, myslím tým, že dokážu odhaliť takmer každý binárny systém, ktorý sa spája,“ povedal s odkazom na dvojice hviezd, čiernych dier a neutrónových hviezd, ktoré sa zrážajú.
To znamená možnosť detegovať čierne diery od veľmi raných rokov vesmíru, snímať hlboké tajomstvá gravitácie a dokonca aj potenciálne detegovať po prvýkrát gravitačné vlny hviezdy, ktorá prechádza supernovou a zrúti sa do neutrónovej hviezdy alebo čiernej diery. ,
Väčšie je lepšie
Prečo teda väčšie detektory vedú k citlivejšiemu vyhľadávaniu gravitačných vĺn? Aby ste tomu porozumeli, musíte pochopiť, ako tieto detektory fungujú.
LIGO a Panna sú, ako už predtým uviedla spoločnosť Live Science, v podstate obrovskými vládcami tvaru L. Dva tunely sa od seba oddeľujú v pravom uhle pomocou laserov na veľmi jemné meranie dĺžky tunelov v danom okamihu. Keď gravitačná vlna prechádza detektorom, sám sa krúti, táto dĺžka sa trochu zmení. To, čo bolo kedysi míľa, sa krátko stane o niečo menej ako míľa. A laser, ktorý prejde túto kratšiu vzdialenosť o niečo rýchlejšie, ukazuje, že k zmene došlo.
Existuje však limit na to, aké jemné môže byť toto meranie. Väčšina vĺn vlní laser príliš mierne na to, aby si interferometre všimli. Evans povedal, že vylepšenie technológie detekcie v existujúcich tuneloch LIGO a Panne môže trochu vylepšiť veci, a podľa plánu je to urobiť. Ale naozaj zosilniť signál, povedal, jedinou možnosťou je ísť oveľa väčšie.
Ďalším krokom je detektor v tvare L s ramenami dlhými 40 km (10,8 km), čo je 10-násobok veľkosti LIGO. Návrh nazval „kozmickým prieskumníkom“. Bolo by dosť veľké na odhalenie takmer všetkého, čo by mohol detekovať gravitačný vlnový detektor, ale nie také veľké, aby sa základná fyzika začala rozpadať alebo aby sa náklady stali neuveriteľne vysoké, dokonca aj pre tento druh očividne drahej vedy. projekt. (Konečné náklady na LIGO sa dostali do stoviek miliónov dolárov.)
Tak prečo detektor tejto veľkosti, skôr ako dvakrát alebo desaťkrát väčší?
V určitom bode, asi 40 km dlhom, podľa Evansa, svetlo trvá tak dlho, kým sa presunie z jedného konca tunela na druhý, takže experiment môže byť neostrý, takže výsledky sú menej presné a nie viac.
Náklady sú prinajmenšom rovnako náročné. LIGO a Panna sú dosť malé na to, aby zakrivenie Zeme nebolo významnou stavebnou výzvou, povedal Evans. Ale pri vzdialenosti 40 km na rameno, umiestnenie koncov každého tunela na úroveň zeme znamená, že stredy tunelov musia byť vo vzdialenosti 30 metrov pod zemou (za predpokladu, že pôda je dokonale vodorovná).
„Viac ako 40 kilometrov,“ povedal Evans, „náklady na prepravu špiny začínajú preberať náklady.“
Je tu tiež základný problém nájsť dostatočne veľký plochý priestor na vybudovanie takého veľkého detektora. Evans povedal, že v Európe nie je v podstate nikde dosť veľký, a v USA sú možnosti obmedzené na región Veľkého soľného jazera v Utahu a púšť Black Rock v Nevade.
Tieto vesmírne výzvy poháňajú alternatívny dizajn masívneho gravitačného vlnového detektora nazývaný Einsteinov ďalekohľad. Kým tvar L je najlepším spôsobom na meranie gravitačnej vlny, Evans uviedol, že trojuholník s tromi tunelmi a viacerými detektormi môže vykonávať takmer rovnako dobrú prácu, pričom zaberá oveľa menší priestor, ideálny pre geografické obmedzenia Európy.
Tieto detektory sú stále 15 až 20 rokov po dokončení, povedal Vitale a všetka technológia potrebná na ich zostavenie ešte nebola vynájdená. Napriek tomu on a Evans obaja povedali zhromaždeným vedcom, že „čas je teraz“, aby na nich začali pracovať. Vitale už povedal, že existuje osem pracovných skupín, ktoré pripravujú správu o vedeckom zdôvodnení takýchto masívnych zariadení, ktorá by mala vyjsť v decembri 2018.
Jeden z divákov sa pýtal Evansa, či má zmysel vybudovať, povedzme, 5-míľový (8 km) detektor, zatiaľ čo skutočný Kozmický prieskumník alebo Einsteinov ďalekohľad zostáva vzdialený viac ako desať rokov.
Keby bol vo finančnom výbore, taký projekt by neschválil, pretože vedecké výnosy z zdvojnásobenia veľkosti LIGO jednoducho nie sú také veľké, povedal Evans. Náklady na takýto projekt by boli oprávnené iba na horných hraniciach veľkosti tunela, dodal.
„Pokiaľ by som to z nejakého dôvodu nevedel, jednoducho to nestojí za to,“ povedal.
Napriek tomu Vitale povedal, že to neznamená, že vedci musia čakať 15 až 20 rokov na ďalšiu významnú fázu výsledkov gravitačných vĺn. Keďže sa v súčasnosti sprístupňuje viac detektorov, vrátane gravitačného detektora vĺn Kamioka (KAGRA) v Japonsku a LIGO-India, a keď sa súčasné detektory zlepšia, budú mať vedci príležitosť merať jednotlivé gravitačné vlny z viacerých uhlov naraz, čo umožňuje viac detekcie a podrobnejšie závery o tom, odkiaľ pochádzajú.
