重力波検出器 LIGO がついにオンラインに戻り、さらに感度が高まるエキサイティングなアップグレードが施されました

XNUMX 年間の中断を経て、米国の科学者たちは、次のようなことができる検出器を作動させました。 重力波の測定—小さな波紋が広がる スペース 宇宙を旅するそのもの。

光波とは異なり、重力波はほぼ 銀河、星、ガス、塵の影響を受けずに 宇宙を満たすもの。 つまり、重力波を測定することで、 私のような天体物理学者 宇宙で最も壮観な現象の中心を直接覗くことができます。

2020 年以降、レーザー干渉重力波観測所、通称として知られています。 LIGO—いくつかのエキサイティングなアップグレードが行われている間、休眠状態にありました。 これらの改善により、 感度を大幅に向上させる LIGO のより小さな波紋を生成する、より遠くにある天体をこの施設が観測できるようにする必要があります。 時空.

重力波を生み出す事象をより多く検出することで、天文学者が同じ事象によって生成される光を観測する機会も増えるでしょう。 イベントを見る 複数の情報チャネルを通じてと呼ばれるアプローチ マルチメッセンジャー天文学、天文学者に提供します まれで切望される機会 実験室での実験の領域をはるかに超えた物理学について学ぶことができます。

時空の波紋

による アインシュタインの一般相対性理論、質量とエネルギーは空間と時間の形状を歪めます。 時空の曲がりは、物体が相互にどのように動くか、つまり人々が重力としてどのように感じるかを決定します。

重力波は、次のような巨大な物体が衝突するときに発生します。 ブラックホールや中性子星が互いに合体する、空間に突然の大きな変化を引き起こします。 空間の歪みと屈曲のプロセスは、宇宙全体に波紋を送ります。 静かな池を波で渡る。 これらの波は外乱からあらゆる方向に伝わり、その際に空間を細かく曲げ、途中にある物体間の距離をわずかに変化させます。

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重力波を生み出す天文現象には宇宙で最も巨大な物体が関係していますが、空間の伸縮は無限に小さいものです。 天の川銀河を通過する強力な重力波は、銀河全体の直径を XNUMX フィート (XNUMX メートル) 変えるだけかもしれません。

最初の重力波観測

1916 年にアインシュタインによって初めて予言されましたが、当時の科学者たちは、重力波の理論によって仮定された距離の小さな変化を測定するという希望をほとんど持っていませんでした。

2000 年頃、カリフォルニア工科大学、マサチューセッツ工科大学、および世界中の他の大学の科学者たちは、本質的にこれまでに作られた中で最も正確な定規の構築を完了しました。LIGO.

LIGO は XNUMX つの別々の天文台で構成されています2.5 つはワシントン州ハンフォードに、もう 90 つはルイジアナ州リビングストンにあります。 各展望台は、長さ XNUMX マイル (長さ XNUMX キロメートル) の XNUMX 本のアームが施設の中心から互いに XNUMX 度で伸びている巨大な L 字型の形をしています。

重力波を測定するために、研究者は施設の中心から L の基部までレーザーを照射します。そこでレーザーは分割され、ビームが各アームを伝い、鏡で反射して基部に戻ります。 レーザーが照射されている間に重力波がアームを通過すると、XNUMX つのビームはわずかに異なるタイミングで中心に戻ります。 この差を測定することで、物理学者は重力波が施設を通過したことを識別できます。

LIGO運用開始 2000 年代初頭には発見されましたが、重力波を検出できるほどの感度はありませんでした。 そこで、2010 年に LIGO チームは、パフォーマンスを行うために施設を一時的に閉鎖しました。 感度を高めるアップグレード。 LIGOのバージョンアップを開始しました 2015 年にデータを収集し、ほぼ同時にデータを収集 検出された重力波 XNUMXつのブラックホールの合体から生成される。

2015年以来、LIGOは完了しました XNUMX回の観測実行。 最初の実行 O1 は約 2 か月続きました。 3 番目は O11、約 19 か月。 2 つ目の OXNUMX は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより施設が閉鎖されるまで XNUMX か月間運営されました。 LIGOはランOXNUMXを皮切りに、 イタリアの天文台「乙女座」.

各実験の合間に、科学者は検出器の物理コンポーネントとデータ分析方法を改良しました。 3 年 2020 月の OXNUMX 実行終了までに、LIGO と Virgo の共同研究の研究者らは次のことを検出しました。 約90の重力波 ブラックホールと中性子星の合体から。

天文台にはまだ まだ最大の設計感度に達していません。 そのため、2020 年に両方の天文台が改修のため閉鎖されました。 再び.

いくつかのアップグレードを行う

科学者たちは取り組んできました 多くの技術的改善.

特に有望なアップグレードの 1,000 つは、300 フィート (XNUMX メートル) の追加でした。 光キャビティ を改善する 絞りと呼ばれる技法。 スクイージングにより、科学者は光の量子特性を利用して検出器のノイズを低減できます。 このアップグレードにより、LIGO チームは以前よりもはるかに弱い重力波を検出できるようになるはずです。

チームメイトと私 彼らは LIGO コラボレーションのデータ サイエンティストであり、さまざまなアップグレードに取り組んできました。 LIGO データの処理に使用されるソフトウェア とそれを認識するアルゴリズム そのデータには重力波の兆候が見られる。 これらのアルゴリズムは、一致するパターンを検索することによって機能します。 数百万の理論モデル ブラックホールと中性子星の合体現象の可能性について。 改良されたアルゴリズムでは、以前のバージョンのアルゴリズムよりも、データ内の背景ノイズから重力波のかすかな兆候をより簡単に検出できるようになります。

天文学のハイビジョン時代

2023 年 18 月初旬、LIGO はすべてが機能していることを確認するために、エンジニアリング実行と呼ばれる短期間のテスト実行を開始しました。 XNUMX月XNUMX日、LIGOはおそらく重力波を検出した ブラックホールと合体する中性子星から生成される.

LIGOの20か月観測実施04が正式に決定 24月XNUMX日にスタートした、 その後、おとめ座と日本の新しい天文台、神岡重力波検出器 (KAGRA) が加わる予定です。

この実験には多くの科学的目標がありますが、リアルタイムでの重力波の検出と位置特定に特に重点が置かれています。 もしチームが重力波現象を特定し、重力波がどこから来たのかを解明し、これらの発見を他の天文学者に迅速に知らせることができれば、天文学者は可視光、電波、またはその他の種類のデータを発生源に収集する他の望遠鏡を向けることができるでしょう。重力波の。 単一のイベントに関する複数のチャネルの情報を収集する—マルチメッセンジャー天体物理学—白黒のサイレント映画に色と音を追加するようなもので、天体物理現象をより深く理解できるようになります。

天文学者が観測した事象は XNUMX つだけです 重力波と可視光の両方で 現在に至るまで - の合併 2017年に見られたXNUMXつの中性子星。 しかし、この単一の出来事から、物理学者は 宇宙の膨張 いくつかの起源を確認します 宇宙で最もエネルギーに満ちた出来事 として知られている ガンマ線バースト.

O4 の実行により、天文学者は史上最も高感度の重力波観測所にアクセスできるようになり、これまでよりも多くのデータが収集されることが期待されます。 同僚と私は、今後数か月間で XNUMX つ、あるいはおそらく多数のマルチメッセンジャーによる観測が行われ、現代の天体物理学の限界を押し広げることを期待しています。

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

画像クレジット: NASA ゴダード宇宙飛行センター/スコット ノーブル。 シミュレーション データ、d'Ascoli et al. 2018年

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• 情報源： https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/