LIVINGSTON, La. - Noin puolitoista mailia rakennuksesta, joka on niin suuri, että voit nähdä sen avaruudesta, jokainen tiellä oleva auto hidastuu indeksointiin. Kuljettajat tietävät ottavansa 10 km / h (16 km / h) nopeusrajoituksen erittäin vakavasti: Tämä johtuu siitä, että rakennuksessa on massiivinen ilmaisin, joka etsii taivaan värähtelyjä pienimmässä mittakaavassa, jota koskaan on yritetty. Ei ole yllättävää, että se on herkkä kaikille sen ympärillä oleville maallisille tärinäille, kulkevan auton rypistymisestä luonnonkatastrofeihin maapallon toisella puolella.
Tämän seurauksena yhdessä LIGO-detektorissa (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) toimivien detektorien on mentävä poikkeuksellisen pitkään metsästääkseen ja poistamaan kaikki mahdolliset melulähteet - hidastamalla ilmaisimen liikennettä ja tarkkailemalla jokaista pieniä vapinaa maa, jopa ripustamalla laitteet nelinkertaisesta heilurijärjestelmästä, joka minimoi värähtelyt - kaikki pyrkiessään luomaan "hiljaisimman" värähtelykohdan maapallolle.
"Kaikki liittyy melun metsästykseen", sanoi Janeen Romie, detektoritekniikkaryhmän johtaja LIGO-ilmaisimessa Louisianassa.
Miksi LIGO-fyysikot ovat niin pakkomielle, että ne eliminoivat melun ja luovat värähtelyttömän paikan planeetalla? Tämän ymmärtämiseksi sinun on tiedettävä, mitä gravitaatioaallot ovat ja kuinka LIGO havaitsee ne ensisijaisesti. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tila ja aika ovat osa samaa jatkuvuutta, jota Einstein kutsui avaruus-ajaksi. Ja avaruusajassa nopeasti kiihtyvät massiiviset esineet voivat tuottaa painovoima-aaltoja, jotka näyttävät väreiltä, jotka säteilevät ulospäin, kun pikkukivi pudotetaan lammikon pinnalle. Nämä aallot paljastavat itse kosmoksen kankaan venymisen ja supistumisen.
Kuinka mitata itse avaruus-ajan muutoksia, kun mittauslaitteet kokevat samat muutokset? Nerokas ratkaisu on ns. Interferometri. Se perustuu siihen tosiseikkaan, että painovoima-aallot venyvät avaruus-aikaa yhtä suuntaa pitkin, samalla kun ne supistuvat kohtisuoraan suuntaan. Ajattele poijua vedellä: Kun aalto kulkee, se kelautuu ylös ja alas. Maan yli säteilevän painovoima-aallon tapauksessa kaikki värähtelee ikinä niin vähän edestakaisin kuin ylös ja alas.
LIGO-ilmaisin koostuu laservalolähteestä, säteenjakajasta, useista peileistä ja valonilmaisimesta. Valo poistuu laserista, jakaantuu säteenjakajaksi kahteen kohtisuoraan säteeseen, kulkee sitten yhtä suuret etäisyydet interferometrin käsivarresta kahteen peiliin, missä valo heijastuu takaisin käsivarsiin. Molemmat säteet osuvat sitten ilmaisimeen, joka on sijoitettu vastapäätä yhtä heijastavista peileistä. Kun painovoima-aalto kulkee interferometrin läpi, se tekee yhdestä vartta hiukan pidempään ja toisesta hieman lyhyemmäksi, koska se venyy tilaa yhden suunnan suuntaan samalla kun puristaa sitä toista pitkin. Tämä äärettömän pieni muutos rekisteröi valoa iskevän valokuvan. ilmaisin. LIGO: n herkkyystaso vastaa LIGO-yhteistyösivuston mukaan "etäisyyden mittaamista lähimpään tähtiin (noin 4,2 valovuotta) tarkkuudella, joka on pienempi kuin ihmisen hiuksen leveys".
Jotta hiuksen leveysaalto voidaan havaita, tutkijat menevät äärimmäisiin pituuksiin poistaakseen tämän hienosäädetyn järjestelmän mahdolliset häiriöt, kertoi LIGO: n tutkijatohtori Carl Blair, joka opiskelee opto-mekaniikkaa tai valon vuorovaikutusta mekaanisten järjestelmien kanssa.
Ensinnäkin 2,5 mailin pituiset (4 km) aseet ovat yhdessä maailman täydellisimmistä tyhjiöistä, mikä tarkoittaa, että se on melkein molekyylitön, joten mikään ei voi häiritä säteen polkua. Ilmaisimia ympäröivät myös kaikenlaiset laitteet (seismometrit, magnetometrit, mikrofonit ja gammasäteilmaisimet, muutamia mainitakseni), jotka mittaavat häiriöt tiedoissa ja poistavat ne.
Kaikki, jotka voivat häiritä tai tulkita väärin gravitaatioaaltosignaaliksi, on myös metsästettävä ja poistettava, Blair sanoi. Tähän sisältyy itse ilmaisimen puutteita - ns. Melua - tai ei-astrofysikaalisia häiriöitä, jotka instrumentti ottaa vastaan - niin kutsuttuja häiriöitä. Fyysikkojen on jopa otettava huomioon ilmaisimen peilin muodostavien atomien värähtely ja elektroniikan virran satunnaiset vaihtelut. Suuremmassa mittakaavassa häiriöt voivat olla mitä tahansa kulkevalta tavarajunalta janoiseen korppiin.
Ja glitches voi olla todella hankala naulata alas. Kun Arnaud Pele liittyi LIGO: n detektoritekniikkatiimiin, hänelle annettiin tehtäväksi selvittää mistä erityisen hankala häiriö oli peräisin: instrumentit, jotka mittasivat maan liikettä gravitaatioaaltoilmaisimien ympärillä, rekisteröivät jatkuvan piikin, eikä kukaan tiesi miksi. Useita kuukausia kestäneen huijaamisen jälkeen hän löysi syyllisen: maan ja joidenkin mekaanisten jousien väliin tuuletusjärjestelmän alapuolelle jäänyt vähäinen kivi. Kallion takia jouset eivät voineet estää hengityslaitteen tärinää näkymästä ilmaisimessa aiheuttaen salaisuussignaalin. "Se on todella hauska osa työtäni tekemällä tätä etsivätoimintaa", Pele sanoi. "Suurimman osan ajasta, se on yksinkertaisia ratkaisuja." Etsimällä äärettömän pieniä värähtelyjä maailmankaikkeuden kaukaisilta alueilta, todellinen työ voi olla hyvin alhaalla.
Tärkeintä, ehkä, on olemassa kolme ilmaisinta: Louisianassa yhden lisäksi Washingtonissa, Hanfordissa ja kolmas Italiassa: "Jos jotain on totta, sen on oltava samanlainen kaikissa ilmaisimissa", kertoi LIGO-yhteistyön jäsen. Salvatore Vitale, MIT: n fysiikan apulaisprofessori. Jos kyseessä on tavarajuna tai keväällä jätetty kallio, se näkyy vain yhdessä kolmesta ilmaisimesta.
Kaikilla näillä työkaluilla ja joillakin erittäin hienostuneilla algoritmeilla tutkijat kykenevät kvantifioimaan todennäköisyyden, että signaali on todellakin painovoima-aalto. He voivat jopa laskea väärän hälytysprosentin tietylle havainnolle tai mahdollisuuden, että tarkka signaali ilmestyisi vahingossa. Esimerkiksi yhdellä aikaisemman kesän tapahtumista väärien hälytysten osuus oli vähemmän kuin kerran 200 000 vuodessa, mikä teki siitä erittäin pakotettavan ehdokkaan. Mutta meidän on odotettava, kunnes lopullinen tuomio on loppunut.
Tämän artikkelin raportointia tuettiin osittain Kansallisen tiedesäätiön avustuksella.
