Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων LIGO επιστρέφει επιτέλους στο διαδίκτυο με συναρπαστικές αναβαθμίσεις για να τον κάνει πολύ πιο ευαίσθητο

Μετά από ένα διάλειμμα τριών ετών, οι επιστήμονες στις ΗΠΑ μόλις άνοιξαν ανιχνευτές ικανούς μέτρηση βαρυτικών κυμάτων— μικροσκοπικοί κυματισμοί μέσα χώρος η ίδια που ταξιδεύει μέσα στο σύμπαν.

Σε αντίθεση με τα κύματα φωτός, τα βαρυτικά κύματα είναι σχεδόν ανεμπόδιστα από τους γαλαξίες, τα αστέρια, το αέριο και τη σκόνη που γεμίζουν το σύμπαν. Αυτό σημαίνει ότι με τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων, αστροφυσικοί σαν κι εμένα μπορεί να κρυφοκοιτάξει κατευθείαν στην καρδιά ορισμένων από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα στο σύμπαν.

Από το 2020, το Παρατηρητήριο Συμβολομετρικών Βαρυτικών Κυμάτων Laser—κοινώς γνωστό ως ΛΙΓΟ— έχει μείνει σε αδράνεια ενώ υποβλήθηκε σε κάποιες συναρπαστικές αναβαθμίσεις. Αυτές οι βελτιώσεις θα ενισχύουν σημαντικά την ευαισθησία του LIGO και θα πρέπει να επιτρέπει στην εγκατάσταση να παρατηρεί πιο μακρινά αντικείμενα που παράγουν μικρότερους κυματισμούς σε χωροχρόνος.

Ανιχνεύοντας περισσότερα από τα γεγονότα που δημιουργούν βαρυτικά κύματα, θα υπάρχουν περισσότερες ευκαιρίες για τους αστρονόμους να παρατηρήσουν επίσης το φως που παράγεται από αυτά τα ίδια γεγονότα. Βλέποντας ένα γεγονός μέσω πολλαπλών καναλιών πληροφόρησης, μια προσέγγιση που ονομάζεται πολυαγγελιοφόρος αστρονομία, παρέχει στους αστρονόμους σπάνιες και πολυπόθητες ευκαιρίες για να μάθετε για τη φυσική πολύ πέρα ​​από τη σφαίρα οποιασδήποτε εργαστηριακής δοκιμής.

Κυματισμοί στον Χωροχρόνο

Σύμφωνα με Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν το σχήμα του χώρου και του χρόνου. Η κάμψη του χωροχρόνου καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα αντικείμενα κινούνται το ένα σε σχέση με το άλλο - αυτό που οι άνθρωποι βιώνουν ως βαρύτητα.

Τα βαρυτικά κύματα δημιουργούνται όταν ογκώδη αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων συγχωνεύονται μεταξύ τους, προκαλώντας ξαφνικές, μεγάλες αλλαγές στο χώρο. Η διαδικασία της παραμόρφωσης και της κάμψης του διαστήματος στέλνει κυματισμούς σε όλο το σύμπαν σαν α κύμα σε μια ακίνητη λιμνούλα. Αυτά τα κύματα ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις από μια διαταραχή, κάμπτοντας ελάχιστα τον χώρο καθώς το κάνουν και αλλάζοντας τόσο ελαφρώς την απόσταση μεταξύ των αντικειμένων στο δρόμο τους.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

Παρόλο που τα αστρονομικά γεγονότα που παράγουν βαρυτικά κύματα περιλαμβάνουν μερικά από τα πιο ογκώδη αντικείμενα στο σύμπαν, το τέντωμα και η συστολή του διαστήματος είναι απειροελάχιστα. Ένα ισχυρό βαρυτικό κύμα που διέρχεται από τον Γαλαξία μπορεί να αλλάξει τη διάμετρο ολόκληρου του γαλαξία μόνο κατά τρία πόδια (ένα μέτρο).

Οι πρώτες παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων

Αν και προβλέφθηκε για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1916, οι επιστήμονες εκείνης της εποχής είχαν ελάχιστες ελπίδες να μετρήσουν τις μικροσκοπικές αλλαγές στην απόσταση που υποτίθεται από τη θεωρία των βαρυτικών κυμάτων.

Γύρω στο έτος 2000, επιστήμονες στο Caltech, το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και άλλα πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο ολοκλήρωσαν την κατασκευή αυτού που είναι ουσιαστικά ο πιο ακριβής χάρακας που κατασκευάστηκε ποτέ—ΛΙΓΟ.

Το LIGO αποτελείται από δύο ξεχωριστά παρατηρητήρια, με το ένα να βρίσκεται στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και το άλλο στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Κάθε παρατηρητήριο έχει το σχήμα ενός γιγαντιαίου L με δύο βραχίονες μήκους 2.5 μιλίων (μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων) που εκτείνονται από το κέντρο της εγκατάστασης σε 90 μοίρες μεταξύ τους.

Για να μετρήσουν τα βαρυτικά κύματα, οι ερευνητές εκπέμπουν ένα λέιζερ από το κέντρο της εγκατάστασης στη βάση του L. Εκεί, το λέιζερ χωρίζεται έτσι ώστε μια δέσμη να ταξιδεύει κάτω από κάθε βραχίονα, να αντανακλάται από έναν καθρέφτη και να επιστρέφει στη βάση. Εάν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από τους βραχίονες ενώ το λέιζερ λάμπει, οι δύο ακτίνες θα επιστρέψουν στο κέντρο σε πολύ διαφορετικούς χρόνους. Μετρώντας αυτή τη διαφορά, οι φυσικοί μπορούν να διακρίνουν ότι ένα βαρυτικό κύμα πέρασε μέσα από την εγκατάσταση.

Το LIGO άρχισε να λειτουργεί στις αρχές της δεκαετίας του 2000, αλλά δεν ήταν αρκετά ευαίσθητο για να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα. Έτσι, το 2010, η ομάδα LIGO έκλεισε προσωρινά την εγκατάσταση για να εκτελέσει αναβαθμίσεις για την ενίσχυση της ευαισθησίας. Ξεκίνησε η αναβαθμισμένη έκδοση του LIGO συλλογή δεδομένων το 2015 και σχεδόν αμέσως ανίχνευσε βαρυτικά κύματα που παράγεται από τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών.

Από το 2015, το LIGO έχει ολοκληρώσει τρεις διαδρομές παρατήρησης. Η πρώτη, η εκτέλεση O1, διήρκεσε περίπου τέσσερις μήνες. Το δεύτερο, O2, περίπου εννέα μήνες? και το τρίτο, το O3, λειτούργησε για 11 μήνες πριν η πανδημία COVID-19 αναγκάσει τις εγκαταστάσεις να κλείσουν. Ξεκινώντας με την εκτέλεση O2, το LIGO παρατηρούσε από κοινού με έναν Ιταλικό παρατηρητήριο που ονομάζεται Virgo.

Μεταξύ κάθε εκτέλεσης, οι επιστήμονες βελτίωσαν τα φυσικά στοιχεία των ανιχνευτών και τις μεθόδους ανάλυσης δεδομένων. Μέχρι το τέλος του κύκλου O3 τον Μάρτιο του 2020, οι ερευνητές της συνεργασίας LIGO και Virgo είχαν εντοπίσει περίπου 90 βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση μαύρων οπών και άστρων νετρονίων.

Τα παρατηρητήρια έχουν ακόμα δεν έχουν ακόμη επιτύχει τη μέγιστη σχεδιαστική ευαισθησία τους. Έτσι, το 2020, και τα δύο παρατηρητήρια έκλεισαν για αναβαθμίσεις για άλλη μία φορά.

Κάνοντας κάποιες αναβαθμίσεις

Οι επιστήμονες έχουν εργαστεί πάνω σε πολλές τεχνολογικές βελτιώσεις.

Μια ιδιαίτερα υποσχόμενη αναβάθμιση περιελάμβανε την προσθήκη ενός μήκους 1,000 ποδιών (300 μέτρων) οπτική κοιλότητα να βελτιώσω α τεχνική που ονομάζεται συμπίεση. Η συμπίεση επιτρέπει στους επιστήμονες να μειώσουν τον θόρυβο του ανιχνευτή χρησιμοποιώντας τις κβαντικές ιδιότητες του φωτός. Με αυτήν την αναβάθμιση, η ομάδα LIGO θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσει πολύ πιο αδύναμα βαρυτικά κύματα από πριν.

Οι συμπαίκτες μου και εγώ είναι επιστήμονες δεδομένων στη συνεργασία LIGO και εργαζόμαστε σε μια σειρά από διαφορετικές αναβαθμίσεις σε λογισμικό που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία δεδομένων LIGO και οι αλγόριθμοι που αναγνωρίζουν σημάδια βαρυτικών κυμάτων σε αυτά τα δεδομένα. Αυτοί οι αλγόριθμοι λειτουργούν αναζητώντας μοτίβα που ταιριάζουν θεωρητικά μοντέλα εκατομμυρίων πιθανών γεγονότων συγχώνευσης μαύρης τρύπας και αστεριών νετρονίων. Ο βελτιωμένος αλγόριθμος θα πρέπει να μπορεί να διακρίνει πιο εύκολα τα αμυδρά σημάδια των βαρυτικών κυμάτων από το θόρυβο του περιβάλλοντος στα δεδομένα από τις προηγούμενες εκδόσεις των αλγορίθμων.

Μια Hi-Def Εποχή της Αστρονομίας

Στις αρχές Μαΐου 2023, το LIGO ξεκίνησε μια σύντομη δοκιμαστική διαδρομή - που ονομάζεται μηχανική διαδρομή - για να βεβαιωθεί ότι όλα λειτουργούσαν. Στις 18 Μαΐου, το LIGO εντόπισε πιθανώς βαρυτικά κύματα που παράγεται από ένα αστέρι νετρονίων που συγχωνεύεται σε μια μαύρη τρύπα.

Επίσημα η 20μηνη παρατήρηση του LIGO 04 ξεκίνησε στις 24 Μαΐου, και αργότερα θα ενωθεί με το Virgo και ένα νέο ιαπωνικό παρατηρητήριο—τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων Kamioka, ή KAGRA.

Ενώ υπάρχουν πολλοί επιστημονικοί στόχοι για αυτό το τρέξιμο, υπάρχει ιδιαίτερη έμφαση στον εντοπισμό και τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων σε πραγματικό χρόνο. Εάν η ομάδα μπορέσει να εντοπίσει ένα συμβάν βαρυτικού κύματος, να καταλάβει από πού προήλθαν τα κύματα και να ειδοποιήσει τους άλλους αστρονόμους για αυτές τις ανακαλύψεις γρήγορα, θα επιτρέψει στους αστρονόμους να κατευθύνουν άλλα τηλεσκόπια που συλλέγουν ορατό φως, ραδιοκύματα ή άλλους τύπους δεδομένων στην πηγή του βαρυτικού κύματος. Συλλογή πολλαπλών καναλιών πληροφοριών για ένα μεμονωμένο συμβάν—αστροφυσική πολλαπλών αγγελιοφόρων—είναι σαν να προσθέτεις χρώμα και ήχο σε ένα ασπρόμαυρο βωβό φιλμ και μπορεί να προσφέρει μια πολύ βαθύτερη κατανόηση των αστροφυσικών φαινομένων.

Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει μόνο ένα γεγονός τόσο στα βαρυτικά κύματα όσο και στο ορατό φως μέχρι σήμερα — η συγχώνευση των δύο αστέρια νετρονίων που είδαμε το 2017. Αλλά από αυτό το μοναδικό γεγονός, οι φυσικοί μπόρεσαν να μελετήσουν το διαστολή του σύμπαντος και επιβεβαιώνουν την προέλευση ορισμένων από τα τα πιο ενεργητικά γεγονότα του σύμπαντος γνωστή ως εκρήξεις ακτίνων γάμμα.

Με την εκτέλεση O4, οι αστρονόμοι θα έχουν πρόσβαση στα πιο ευαίσθητα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων στην ιστορία και ελπίζουμε ότι θα συλλέξουν περισσότερα δεδομένα από ποτέ. Οι συνάδελφοί μου και εγώ ελπίζουμε ότι οι επόμενοι μήνες θα καταλήξουν σε μία —ή ίσως σε πολλούς— παρατηρήσεις πολλαπλών μηνυμάτων που θα ωθήσουν τα όρια της σύγχρονης αστροφυσικής.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Πίστωση εικόνας: Κέντρο διαστημικών πτήσεων Goddard της NASA/Scott Noble; δεδομένα προσομοίωσης, d'Ascoli et al. 2018

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/