آشکارساز امواج گرانشی LIGO بالاخره با ارتقاهای هیجان انگیز برای حساس تر کردن آن آنلاین شد

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

پس از سه سال وقفه، دانشمندان در ایالات متحده به تازگی آشکارسازهایی را روشن کرده اند که قادر به انجام این کار هستند اندازه گیری امواج گرانشی- موج های ریز داخل فضا خود که در سراسر جهان سفر می کند.

برخلاف امواج نور، امواج گرانشی تقریباً هستند بدون مانع توسط کهکشان ها، ستاره ها، گاز و غبار که کیهان را پر می کند این بدان معنی است که با اندازه گیری امواج گرانشی، اخترفیزیکدان هایی مثل من می تواند مستقیماً به قلب برخی از شگفت انگیزترین پدیده های جهان نگاه کند.

از سال 2020، رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری - که معمولاً به عنوان لیگو- در حالی که تحت برخی ارتقاءهای هیجان انگیز قرار گرفته است، خاموش بوده است. این پیشرفت ها خواهد بود به طور قابل توجهی حساسیت را افزایش می دهد از LIGO و باید به مرکز اجازه دهد تا اجسام دورتر را که امواج کوچکتری تولید می کنند مشاهده کند. فضا زمان.

با شناسایی بیشتر رویدادهایی که امواج گرانشی ایجاد می کنند، فرصت های بیشتری برای ستاره شناسان وجود خواهد داشت تا نور تولید شده توسط همان رویدادها را نیز مشاهده کنند. دیدن یک رویداد از طریق چندین کانال اطلاعاتی، رویکردی به نام نجوم چند پیام رسان، در اختیار منجمان قرار می دهد فرصت های کمیاب و آرزومند برای یادگیری در مورد فیزیک بسیار فراتر از قلمرو هر آزمایش آزمایشگاهی.

نموداری که فضای تابش خورشید و زمین را نشان می دهد. — طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، اجرام عظیم فضای اطراف خود را می پیچند. اعتبار تصویر: vchal/iStock از طریق Getty Images

امواج در فضازمان

مطابق با نظریه نسبیت عام اینشتینجرم و انرژی شکل فضا و زمان را به هم می ریزد. خمش فضا-زمان نحوه حرکت اجسام را در رابطه با یکدیگر تعیین می کند - آنچه مردم به عنوان گرانش تجربه می کنند.

امواج گرانشی زمانی ایجاد می شوند که اجسام عظیم مانند سیاهچاله ها یا ستاره های نوترونی با یکدیگر ادغام می شوند، ایجاد تغییرات ناگهانی و بزرگ در فضا. فرآیند تاب برداشتن و خم شدن فضا، امواجی را در سراسر کیهان ارسال می کند موج بر روی یک حوض ساکن. این امواج از یک آشفتگی در همه جهات به بیرون حرکت می کنند، در حالی که فضا را خم می کنند و همیشه فاصله بین اجسام در مسیر خود را کمی تغییر می دهند.

[محتوای جاسازی شده]

اگرچه رویدادهای نجومی که امواج گرانشی تولید می‌کنند شامل برخی از پرجرم‌ترین اجرام کیهان می‌شود، کشش و انقباض فضا بی‌نهایت کوچک است. یک موج گرانشی قوی که از راه شیری می گذرد ممکن است قطر کل کهکشان را تنها سه فوت (یک متر) تغییر دهد.

اولین مشاهدات امواج گرانشی

اگرچه اولین بار توسط انیشتین در سال 1916 پیش‌بینی شد، اما دانشمندان آن دوره امید چندانی به اندازه‌گیری تغییرات کوچک در فاصله پیش‌بینی شده توسط نظریه امواج گرانشی نداشتند.

در حدود سال 2000، دانشمندان در Caltech، انستیتوی فناوری ماساچوست، و سایر دانشگاه‌های سراسر جهان ساخت چیزی را که اساساً دقیق‌ترین خط‌کشی است که تاکنون ساخته شده است، به پایان رساندند.لیگو.

تاسیسات L شکل با دو بازوی بلند که از یک ساختمان مرکزی بیرون می‌آیند. — آشکارساز LIGO در هانفورد، واشینگتن، از لیزر برای اندازه گیری کشش ناچیز فضا ناشی از یک موج گرانشی استفاده می کند. اعتبار تصویر: آزمایشگاه LIGO

LIGO از دو رصدخانه مجزا تشکیل شده استیکی در هانفورد، واشنگتن، و دیگری در لیوینگستون، لوئیزیانا واقع شده است. هر رصدخانه مانند یک L غول پیکر با دو بازو به طول 2.5 مایل (چهار کیلومتر) است که از مرکز مرکز در 90 درجه به یکدیگر امتداد یافته است.

برای اندازه‌گیری امواج گرانشی، محققان لیزری را از مرکز تأسیسات به پایه L می‌تابانند. در آنجا، لیزر به‌گونه‌ای تقسیم می‌شود که پرتوی از هر بازو به پایین حرکت می‌کند، از آینه منعکس می‌شود و به پایه بازمی‌گردد. اگر یک موج گرانشی از بازوها عبور کند در حالی که لیزر در حال تابش است، دو پرتو در زمان‌های بسیار متفاوت به مرکز بازخواهند گشت. با اندازه گیری این تفاوت، فیزیکدانان می توانند تشخیص دهند که یک موج گرانشی از این مرکز عبور کرده است.

LIGO شروع به کار کرد در اوایل دهه 2000، اما به اندازه کافی برای تشخیص امواج گرانشی حساس نبود. بنابراین، در سال 2010، تیم LIGO به طور موقت این مرکز را برای اجرای برنامه تعطیل کرد ارتقاء برای افزایش حساسیت. نسخه ارتقا یافته LIGO آغاز شد جمع آوری داده ها در سال 2015 و تقریباً بلافاصله امواج گرانشی را شناسایی کرد حاصل از ادغام دو سیاهچاله

از سال 2015، LIGO تکمیل شده است سه اجرا مشاهده. اولین، اجرا O1، حدود چهار ماه به طول انجامید. دوم، O2، حدود نه ماه. و سومی، O3، به مدت 11 ماه کار کرد تا اینکه همه‌گیری کووید-19 باعث تعطیلی تأسیسات شد. با شروع O2، LIGO به طور مشترک با یک مشاهده می‌کند رصدخانه ایتالیایی به نام Virgo.

بین هر اجرا، دانشمندان اجزای فیزیکی آشکارسازها و روش های تجزیه و تحلیل داده ها را بهبود بخشیدند. در پایان اجرای O3 در مارس 2020، محققان در همکاری LIGO و Virgo تشخیص دادند حدود 90 موج گرانشی از ادغام سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی.

رصدخانه ها هنوز دارند هنوز به حداکثر حساسیت طراحی خود دست نیافته اند. بنابراین، در سال 2020، هر دو رصدخانه برای ارتقاء تعطیل شدند هنوز دوباره.

دو نفر با لباس های سفید آزمایشگاهی که روی ماشین آلات پیچیده کار می کنند. — ارتقاء تجهیزات مکانیکی و الگوریتم‌های پردازش داده باید به LIGO اجازه دهد تا امواج گرانشی ضعیف‌تری را نسبت به گذشته شناسایی کند. اعتبار تصویر: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel, CC BY-ND

انجام برخی ارتقاء

دانشمندان روی آن کار کرده اند بسیاری از پیشرفت های تکنولوژیکی.

یکی از به‌روزرسانی‌های امیدوارکننده شامل اضافه کردن 1,000 فوت (300 متر) بود. حفره نوری برای بهبود الف تکنیکی به نام فشردن. فشردن به دانشمندان اجازه می دهد تا با استفاده از خواص کوانتومی نور، نویز آشکارساز را کاهش دهند. با این ارتقا، تیم LIGO باید بتواند امواج گرانشی بسیار ضعیف‌تری را نسبت به قبل تشخیص دهد.

من و هم تیمی هایم دانشمندان داده در همکاری LIGO هستند و ما در حال کار بر روی تعدادی ارتقاء مختلف برای نرم افزار مورد استفاده برای پردازش داده های LIGO و الگوریتم هایی که تشخیص می دهند نشانه هایی از امواج گرانشی در آن داده ها. این الگوریتم ها با جستجوی الگوهای منطبق عمل می کنند مدل های نظری میلیونی رویدادهای احتمالی ادغام سیاهچاله و ستاره نوترونی الگوریتم بهبودیافته باید بتواند به راحتی علائم ضعیف امواج گرانشی را از نویز پس‌زمینه در داده‌ها نسبت به نسخه‌های قبلی الگوریتم‌ها تشخیص دهد.

یک GIF که ستاره ای را در حال درخشش در چند روز نشان می دهد. — اخترشناسان هم امواج گرانشی و هم نور تولید شده توسط یک رویداد، ادغام دو ستاره نوترونی را به تصویر کشیده اند. تغییر نور را می توان در طول چند روز در قسمت بالای سمت راست مشاهده کرد. اعتبار تصویر: تلسکوپ فضایی هابل، ناسا و اسا

دوران نجومی Hi-Def

در اوایل ماه مه 2023، LIGO یک آزمایش کوتاه را آغاز کرد - به نام اجرای مهندسی - تا مطمئن شود همه چیز کار می کند. در 18 می، LIGO امواج گرانشی را به احتمال زیاد شناسایی کرد از یک ستاره نوترونی که در یک سیاهچاله ادغام می شود.

رصد 20 ماهه LIGO در 04 به طور رسمی اجرا شد از 24 می آغاز شد، و بعداً Virgo و یک رصدخانه جدید ژاپنی - آشکارساز امواج گرانشی Kamioka یا KAGRA به آن ملحق خواهند شد.

در حالی که اهداف علمی زیادی برای این اجرا وجود دارد، تمرکز خاصی بر روی شناسایی و بومی سازی امواج گرانشی در زمان واقعی وجود دارد. اگر این تیم بتواند یک رویداد موج گرانشی را شناسایی کند، دریابد که امواج از کجا آمده‌اند و به سرعت سایر ستاره‌شناسان را در مورد این اکتشافات آگاه کنند، ستاره‌شناسان را قادر می‌سازد تا تلسکوپ‌های دیگری را که نور مرئی، امواج رادیویی، یا انواع دیگر داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند به سمت منبع هدایت کنند. از موج گرانشی جمع آوری کانال های متعدد اطلاعات در یک رویداداخترفیزیک چند پیام رسان- مانند افزودن رنگ و صدا به یک فیلم صامت سیاه و سفید است و می تواند درک بسیار عمیق تری از پدیده های اخترفیزیکی ارائه دهد.

ستاره شناسان تنها یک رویداد را مشاهده کرده اند هم در امواج گرانشی و هم در نور مرئی تا به امروز - ادغام دو ستاره نوترونی دیده شده در سال 2017. اما از همین رویداد واحد، فیزیکدانان توانستند آن را مطالعه کنند گسترش جهان و منشأ برخی از آنها را تأیید کنید پر انرژی ترین رویدادهای کیهان شناخته شده به عنوان پشت سر هم اشعه گاما.

با اجرای O4، اخترشناسان به حساس ترین رصدخانه های امواج گرانشی در تاریخ دسترسی خواهند داشت و امیدواریم اطلاعات بیشتری نسبت به قبل جمع آوری کنند. من و همکارانم امیدواریم که ماه‌های آینده منجر به یک یا شاید بسیاری از مشاهدات چند پیام‌رسان شود که مرزهای اخترفیزیک مدرن را جابجا کند.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

اعتبار تصویر: مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا/ اسکات نوبل؛ داده های شبیه سازی، d'Ascoli و همکاران. 2018