LIVINGSTON, La. - Približno kilometer in pol od tako velike zgradbe, da jo vidite iz vesolja, se vsak avto na cesti upočasni in plazi. Vozniki vedo, da je omejitev hitrosti 10 km / h zelo resna: zato, ker je v zgradbi ogromen detektor, ki lovi nebesne vibracije v najmanjšem merilu. Ni presenetljivo, da je občutljiv na vse zemeljske vibracije okoli njega, od ropotanja mimo avtomobila do naravnih katastrof na drugi strani sveta.
Kot rezultat, morajo znanstveniki, ki delajo na enem od detektorjev LIGO (Laser Interferometer Gravitacijski-valovni opservatorij), oditi v izjemne dolžine, da lovijo in odstranijo vse potencialne vire hrupa - upočasnijo promet okoli detektorja in spremljajo vsako drobno drhtenje na tleh, celo prekinete opremo iz sistema štiristalnega nihala, ki zmanjšuje vibracije - vse v prizadevanju za ustvarjanje najbolj "tihe" vibracijske točke na Zemlji.
"Vse se nanaša na lov na hrup," je dejala Janeen Romie, vodja detektorskih inženirskih skupin na detektorju LIGO v Louisiani.
Zakaj so fiziki LIGO tako obsedeni z odpravljanjem hrupa in ustvarjanjem najbolj brez vibracij prostora na planetu? Če želite to razumeti, morate vedeti, kaj so gravitacijski valovi in kako jih LIGO najprej zazna. Prostor in čas sta po splošni relativnosti del istega kontinuuma, ki ga je Einstein imenoval prostor-čas. V vesolju in času lahko hitro pospešujejo masivne predmete, ki ustvarjajo gravitacijske valove, ki so videti kot valovi, ki sevajo navzven, ko kamenček pade na površino ribnika. Ti valovi razkrivajo raztezanje in krčenje tkanine samega kozmosa.
Kako merite spremembe samega prostora in časa, ko bi katera koli merilna naprava doživela iste spremembe? Genialna rešitev je tista, ki jo poznamo kot interferometer. Zanaša se na dejstvo, da gravitacijski valovi raztezajo prostor-čas vzdolž ene smeri, medtem ko ga krčijo po pravokotni smeri. Pomislite na bojo na vodi: Ko preide val, se dvigne navzgor in navzdol. V primeru gravitacijskega vala, ki seva čez Zemljo, vse niha vedno tako malo nazaj, naprej, namesto navzgor in navzdol.
Detektor LIGO je sestavljen iz laserskega vira svetlobe, razdelilnika žarka, več ogledal in detektorja svetlobe. Svetloba zapusti laser, se z brizganjem snopa razdeli na dva pravokotna žarka, nato pa potuje enako oddaljeno od ročic interferometra do dveh ogledal, kjer se svetloba odbije nazaj navzdol. Oba snopa nato udarita v detektor, ki je postavljen nasproti enega od odsevnih ogledal. Ko gravitacijski val prehaja skozi interferometer, naredi eno roko nekoliko daljšo, drugo pa nekoliko krajšo, saj razteza prostor vzdolž ene smeri, medtem ko jo stisne vzdolž druge. To neskončno majhno spremembo registrira v vzorcu svetlobe, ki zadene svetlobo detektor. Raven občutljivosti LIGO je enakovredna "merjenju razdalje do najbližje zvezde (približno 4,2 svetlobna leta) do natančnosti, manjše od širine človeškega lasu", navaja spletno mesto za sodelovanje LIGO.
Da bi lahko zaznali širino valovitega lasu, znanstveniki gredo v skrajno dolžino, da bi odpravili morebitne motnje v tej natančno nastavljeni postavi, je dejal Carl Blair, podoktorski raziskovalec LIGO, ki proučuje opto-mehaniko ali interakcijo svetlobe z mehaničnimi sistemi.
Za začetek, 2,5 kilometra dolge roke (4 kilometre) so v enem najbolj popolnih vakuumov na svetu, kar pomeni, da skoraj ne vsebuje molekul, zato nič ne more ovirati poti žarka. Detektorji so obkroženi tudi z vsemi vrstami naprav (seizmometri, magnetometri, mikrofoni in detektorji gama žarkov, če jih naštejemo le nekaj), ki merijo motnje v podatkih in jih odstranijo.
Vse, kar bi lahko motilo ali napačno razlagalo kot signal gravitacijskega vala, je treba tudi loviti in odpraviti, je dejal Blair. To vključuje nepopolnosti znotraj samega detektorja - tako imenovanega hrup - ali neastrofizične motnje, ki jih instrument pobere - tiste, ki jih imenujemo glitches. Fiziki morajo celo upoštevati vibracije atomov, ki sestavljajo detektorjevo ogledalo, in naključna nihanja toka v elektroniki. V večjem obsegu so lahko gredi karkoli, od prehitevalnega tovornega vlaka do žejne garane.
In napake so lahko zelo zapletene, da se prilepijo. Ko se je Arnaud Pele pridružil ekipi detektorjev inženirjev LIGO, je imel nalogo, da ugotovi, od kod prihaja še posebej močna motnja: instrumenti, ki merijo gibanje zemlje okoli detektorjev gravitacijskega vala, beležijo stalni trn in nihče vedel zakaj. Po več mesecih pasjega uspavanja je našel krivca: nezahtevna skala, ki je bila vložena med zemljo in nekaj mehanskih vzmeti pod prezračevalnim sistemom. Zaradi skale vzmeti niso mogle preprečiti, da bi se v detektorju pojavile vibracije ventilatorja, kar je povzročilo skrivnostni signal. "To je res zabaven del mojega dela, to početje detektiv," je dejal Pele. "Večino časa gre za preproste rešitve." V iskanju neskončno majhnih vibracij iz daljnih serij vesolja je lahko resnično delo zelo navzdol na Zemljo.
Najpomembnejše so morda trije detektorji: poleg enega v Louisiani je še en v Hanfordu v Washingtonu in tretji v Italiji: "Če je nekaj resnično, mora biti videti enako v vseh detektorjih," je dejal član LIGO za sodelovanje Salvatore Vitale, docentka fizike na MIT. Če gre za tovorni vlak ali skalo, vloženo pod vzmet, se bo prikazalo le v enem od treh detektorjev.
Z vsemi temi orodji in nekaterimi zelo izpopolnjenimi algoritmi lahko znanstveniki količinsko ovrednotijo verjetnost, da je signal res gravitacijski val. Izračunajo lahko celo napačno stopnjo alarma za določeno odkrivanje ali možnost, da bi se točen signal pojavil po naključju. Eden od dogodkov iz prejšnjega poletja, na primer, je lažna stopnja alarma znašala manj kot enkrat v 200.000 letih, zaradi česar je bil izjemno prepričljiv kandidat. Vendar bomo morali počakati, da se pravnomočna razsodba razveljavi.
Poročanje o tem članku je delno podprto z donacijo Nacionalne znanstvene fundacije.
