COLUMBUS, Ohio - 2,5 mailin pituinen painovoima-aaltoilmaisin ei ole viileä. Tiedätkö mitä on hienoa? 25 mailin pituinen painovoima-aaltoilmaisin.
Se on tulosta sarjasta keskusteluja, jotka järjestettiin täällä lauantaina (14. huhtikuuta) American Physical Society -konferenssin huhtikuun kokouksessa. Seuraavan sukupolven gravitaatioaaltodetektorit vertaavat suoraan havaittavan maailmankaikkeuden ulkoreunaan etsiessään aallonpituuksia avaruusaikakudoksessa, jota Einstein ennustaa tapahtuvan, kun massiiviset esineet, kuten mustat aukot, törmäävät. Mutta niiden rakentamisessa on vielä joitain merkittäviä haasteita, esittelijät kertoivat yleisölle.
"Nykyiset ilmaisimet, joita saatat ajatella, ovat erittäin herkkiä", MIT: n fyysikko Matthew Evans kertoi yleisölle. "Ja se on totta, mutta ne ovat myös vähiten herkkiä ilmaisimia, joiden avulla voit havaita painovoimaaaltoja."
Nykyisillä ilmaisimilla ei tietenkään ole mitään aivastettavaa. Kun 2,5 mailin mittainen (4 km) laserinterferometrin gravitaatioaalto observatorio (LIGO) havaitsi ensimmäisen kerran avaruusajan kasvavan ja supistuvan vuonna 2015 - kahden mustan aukon välisen 1,3 miljardin vuoden ikäisen törmäyksen painovoimakaiku - se osoitti laajojen, näkymättömien painovoima-aaltojen olemassaolon, jotka olivat aikoinaan täysin teoreettisia, ja johti vain kahdessa vuodessa Nobel-palkintoon LIGOn luojaille.
Mutta LIGO ja sen serkku, 1,9 mailin pituinen (3 km) italialainen instrumentti Virgo, ovat pohjimmiltaan rajalliset, puhujat kertoivat. Molemmat ilmaisimet kykenevät todella havaitsemaan painovoima-aaltoja esineistä, jotka ovat suhteellisen lähellä Maata koko maailmankaikkeuden mittakaavassa, kertoi MIT: n fyysikko Salvatore Vitale. Heillä on myös rajoitettu tyyppi esineitä, jotka he voivat havaita.
Toistaiseksi on ollut vain kaksi suurta tulosta nykyisestä interferometrien sukupolvesta: mustan aukon sulautumisen havaitseminen vuonna 2015 ja elokuussa 2017 kahden neutronitähden törmäyksen havaitseminen (myös kuuma aihe konferenssissa). Siellä on havaittu vielä muutamia mustan aukon törmäyksiä, mutta ne eivät ole tarjonneet paljon tainnuttamistaville ensimmäisen havaitsemisen päällä.
Rakenna skaalautuvia, tarkempia LIGOja ja Virgosia tai erityyppistä laajamittaista ilmaisinta, nimeltään "Einsteinin kaukoputki", Evans sanoi, ja aaltojen havaitsemisnopeus voisi hypätä yhdestä muutaman kuukauden välein yli miljoonaan vuodessa. .
"Kun sanon, että nämä ilmaisimet vievät meidät maailmankaikkeuden reunaan, tarkoitan, että ne pystyvät havaitsemaan melkein kaikki binaarijärjestelmät, jotka sulautuvat", hän sanoi viitaten tähtiparien, mustien reikien ja neutronitähtien törmäykseen.
Tämä tarkoittaa mahdollisuutta havaita mustia reikiä maailmankaikkeuden hyvin varhaisista vuosista, koettaa syviä painovoiman mysteerejä ja jopa mahdollisesti havaita ensimmäistä kertaa supernovan menevän tähden painovoima-aaltoja, jotka romahtavat neutronitähteeksi tai mustaksi reikäksi .
Isompi on parempi
Miksi suuret ilmaisimet johtavat herkempiin gravitaatioaaltojen hakuihin? Ymmärtääksesi tämän, sinun on ymmärrettävä, kuinka nämä ilmaisimet toimivat.
LIGO ja Neitsyt ovat, kuten Live Science on aiemmin ilmoittaneet, pohjimmiltaan jättiläisiä L-muotoisia hallitsijoita. Kaksi tunnelia haarautuvat suorassa kulmassa toisistaan käyttämällä lasereita tunnelien pituuksien mittaamiseen erittäin hienoilla hetkillä. Kun painovoima-aalto kulkee ilmaisimen läpi itse värähtelemällä, pituus muuttaa pienen osan. Se, mikä kerran oli maili, tulee hetkellisesti hieman vähemmän kuin maili. Ja laser, joka kulkee lyhyemmän matkan hieman nopeammin, osoittaa, että muutos on tapahtunut.
Mutta kuinka rajallinen tämä mittaus voi olla. Useimmat aallot rypistävät laseria liian vähän, jotta interferometrit huomaavat. Evango totesi, että LIGO: n ja Neitsyt-olemassa olevien tunnelien havaitsemistekniikan parantaminen voi parantaa asioita, ja tähän on suunnitelmia. Mutta signaalin vahvistamiseksi todella, hän sanoi, ainoa vaihtoehto on mennä paljon isommaksi.
L-muotoinen ilmaisin, jossa on 24,86 mailin pituiset (40 km) varret, jotka ovat 10 kertaa suurempia kuin LIGO, on seuraava askel, Evans sanoi. Hän kutsui ehdotusta "kosmisen tutkijaksi". Hän sanoi, että se olisi riittävän suuri havaitsemaan melkein mitä tahansa painovoima-aaltoilmaisin, joka mahdollisesti havaitsisi, mutta ei niin suuri, että taustalla oleva fysiikka alkaa hajota tai kustannukset nousevat kohtuuttoman korkeiksi, jopa tällaiselle silmävuotoisesti kallialle tieteelle. projekti. (LIGO: n lopulliset kustannukset olivat satoja miljoonia dollareita.)
Joten miksi ilmaisin, joka on samankokoinen kuin kaksinkertainen tai kymmenenkertainen?
Evans sanoi, että tietyssä pisteessä, noin 40 km: n päässä noin 24,86 mailia, valon siirtyminen tunnelin päästä toiseen kestää niin kauan, että kokeesta voi tulla sumea, jolloin tulokset ovat vähemmän tarkkoja kuin enemmän.
Ainakin yhtä haastavat ovat kustannukset. LIGO ja Neitsyt ovat riittävän pieniä, että maan kaarevuus ei ollut merkittävä rakennushaaste, Evans sanoi. Mutta 40 km: n (24,86 mailin) kohdalla varren kohdalla kunkin tunnelin pään sijoittaminen maanpintaan tarkoittaa, että tunnelien keskipisteiden on oltava 30 metriä (98,43 jalkaa) maan alla (olettaen, että maa on täysin vaakatasossa).
"Yli 40 kilometriä", Evans sanoi, "lian kuljetusmatka alkaa ottaa kustannuksia."
On myös perusongelma löytää tasainen tyhjä tila, joka on riittävän suuri rakentamaan niin suuri ilmaisin. Evans kertoi, että Euroopassa ei periaatteessa ole missään Euroopassa riittävän suuria, ja Yhdysvalloissa vaihtoehdot rajoittuvat Utahin suuren suolajärven alueelle ja Nevadassa sijaitsevan Black Rockin autiomaan alueelle.
Nämä avaruushaasteet ohjaavat vaihtoehtoista massiivista gravitaatioaaltoilmaisinrakennetta, nimeltään Einstein-kaukoputki. Evans kertoi, että L-muoto on paras tapa mitata painovoima-aalto. Kolme tunnelia ja useita ilmaisimia sisältävä kolmio voi tehdä melkein yhtä hyvää työtä samalla kun vie paljon pienemmän tilan, joka on ihanteellinen Euroopan maantieteellisille rajoituksille.
Nämä ilmaisimet ovat vielä 15-20 vuoden päässä valmistumisesta, Vitale sanoi, eikä kaikkea niiden rakentamiseen tarvittavaa tekniikkaa ole vielä keksitty. Silti hän ja Evans kertoivat kokoontuneille tutkijoille, että "aika on nyt" aloittaa työskentely heidän kanssaan. Vitalen mukaan jo kahdeksan työryhmää laatii joulukuussa 2018 kertomuksen tällaisten massiivisten laitteiden tieteellisistä perusteista.
Yksi yleisön jäsen kysyi Evansilta, onko järkevää rakentaa esimerkiksi 5 mailin mittaista (8 km) ilmaisinta, kun taas todellinen kosminen tutkija tai täysimittainen Einsteinin kaukoputki on jäljellä yli vuosikymmenen päässä.
Jos hän olisi rahoituskomiteassa, hän ei hyväksyisi tällaista hanketta, koska LIGO: n koon kaksinkertaistamisesta johtuvat tieteelliset tulokset eivät vain ole niin suuria, Evans sanoi. Hän lisäsi, että tällaisen hankkeen kustannukset ovat perusteltuja vain tunnelin ylärajoilla.
"Ellei tiennyt sitä jostain syystä, se ei vain ole sen arvoista", hän sanoi.
Vitale kuitenkin sanoi, että se ei tarkoita, että tutkijoiden on odotettava 15 - 20 vuotta gravitaatioaaltotulosten seuraavaan suureen vaiheeseen. Kun lisää nykyisen mittakaavan ilmaisimia, kuten Virgo-kokoista Kamiokan gravitaatioaallonilmaisinta (KAGRA) Japanissa ja LIGO-kokoista LIGO-Intiaa, ja kun olemassa olevat ilmaisimet paranevat, tutkijoilla on mahdollisuus mitata yksittäisiä painovoima-aaltoja. useammasta näkökulmasta kerralla, mikä mahdollistaa useammat havainnot ja yksityiskohtaisemmat päätelmät siitä, mistä ne ovat lähtöisin.
