Gravitasjonsbølgedetektor LIGO er endelig tilbake på nett med spennende oppgraderinger for å gjøre det mye mer følsomt

Etter en tre-års pause har forskere i USA nettopp slått på detektorer som kan måling av gravitasjonsbølger– små krusninger inn plass seg selv som reiser gjennom universet.

I motsetning til lysbølger er gravitasjonsbølger nesten uhindret av galakser, stjerner, gass og støv som fyller universet. Dette betyr at ved å måle gravitasjonsbølger, astrofysikere som meg kan kikke direkte inn i hjertet av noen av de mest spektakulære fenomenene i universet.

Siden 2020 har Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory - ofte kjent som LINK— har ligget i dvale mens den gjennomgikk noen spennende oppgraderinger. Disse forbedringene vil øke følsomheten betydelig av LIGO og skal tillate anlegget å observere fjernere objekter som produserer mindre krusninger i romtid.

Ved å oppdage flere av hendelsene som skaper gravitasjonsbølger, vil det være flere muligheter for astronomer til også å observere lyset som produseres av de samme hendelsene. Å se en hendelse gjennom flere informasjonskanaler, en tilnærming som heter multi-messenger astronomi, gir astronomer sjeldne og ettertraktede muligheter for å lære om fysikk langt utenfor riket av laboratorietester.

Ripples in Spacetime

Ifølge Einsteins teori om generell relativitet, masse og energi fordreier formen til rom og tid. Bøyningen av romtiden bestemmer hvordan objekter beveger seg i forhold til hverandre - hva folk opplever som gravitasjon.

Gravitasjonsbølger skapes når massive gjenstander som sorte hull eller nøytronstjerner smelter sammen med hverandre, produserer plutselige, store endringer i rommet. Prosessen med romforvrengning og bøying sender krusninger over universet som en vinke over en stille dam. Disse bølgene beveger seg ut i alle retninger fra et forstyrrende rom, som bøyer seg så småt mens de gjør det og endrer avstanden mellom objekter i veien litt.

[Innebygd innhold]

Selv om de astronomiske hendelsene som produserer gravitasjonsbølger involverer noen av de mest massive objektene i universet, er strekkingen og sammentrekningen av rommet uendelig liten. En sterk gravitasjonsbølge som passerer gjennom Melkeveien kan bare endre diameteren til hele galaksen med tre fot (en meter).

De første gravitasjonsbølgeobservasjonene

Selv om det først ble spådd av Einstein i 1916, hadde forskere fra den tiden lite håp om å måle de små endringene i avstand som ble postulert av teorien om gravitasjonsbølger.

Rundt år 2000 fullførte forskere ved Caltech, Massachusetts Institute of Technology og andre universiteter rundt om i verden å konstruere det som egentlig er den mest presise linjalen som noen gang er bygget –LINK.

LIGO består av to separate observatorier, med en lokalisert i Hanford, Washington, og den andre i Livingston, Louisiana. Hvert observatorium er formet som en gigantisk L med to, 2.5 mil lange (fire kilometer lange) armer som strekker seg ut fra midten av anlegget i 90 grader til hverandre.

For å måle gravitasjonsbølger skinner forskerne en laser fra sentrum av anlegget til bunnen av L. Der deles laseren slik at en stråle beveger seg nedover hver arm, reflekteres fra et speil og går tilbake til basen. Hvis en gravitasjonsbølge passerer gjennom armene mens laseren skinner, vil de to strålene returnere til sentrum på aldri så litt forskjellige tidspunkter. Ved å måle denne forskjellen kan fysikere skjelne at en gravitasjonsbølge passerte gjennom anlegget.

LIGO begynte å operere tidlig på 2000-tallet, men den var ikke følsom nok til å oppdage gravitasjonsbølger. Så i 2010 stengte LIGO-teamet midlertidig anlegget for å opptre oppgraderinger for å øke følsomheten. Den oppgraderte versjonen av LIGO startet innsamling av data i 2015 og nesten umiddelbart oppdaget gravitasjonsbølger produsert fra sammenslåingen av to sorte hull.

Siden 2015 har LIGO fullført tre observasjonsløp. Den første, kjørte O1, varte i omtrent fire måneder; den andre, O2, omtrent ni måneder; og den tredje, O3, kjørte i 11 måneder før COVID-19-pandemien tvang anleggene til å stenge. Fra og med kjøring O2 har LIGO observert sammen med en Italiensk observatorium kalt Jomfruen.

Mellom hver kjøring forbedret forskerne de fysiske komponentene til detektorene og dataanalysemetodene. Ved slutten av kjøringen O3 i mars 2020 hadde forskere i LIGO- og Jomfru-samarbeidet oppdaget ca 90 gravitasjonsbølger fra sammenslåingen av sorte hull og nøytronstjerner.

Observatoriene har fortsatt ennå ikke oppnådd sin maksimale designfølsomhet. Så i 2020 ble begge observatoriene stengt for oppgraderinger men igjen.

Gjør noen oppgraderinger

Forskere har jobbet med mange teknologiske forbedringer.

En spesielt lovende oppgradering innebar å legge til en 1,000 fot (300 meter) optisk hulrom å forbedre a teknikk som kalles klemme. Klemming gjør det mulig for forskere å redusere detektorstøy ved å bruke lysets kvanteegenskaper. Med denne oppgraderingen skal LIGO-teamet være i stand til å oppdage mye svakere gravitasjonsbølger enn før.

Lagkameratene mine og jeg er dataforskere i LIGO-samarbeidet, og vi har jobbet med en rekke ulike oppgraderinger til programvare som brukes til å behandle LIGO-data og algoritmene som gjenkjenner tegn på gravitasjonsbølger i disse dataene. Disse algoritmene fungerer ved å søke etter mønstre som samsvarer teoretiske modeller av millioner av mulige hendelser med sammenslåing av svart hull og nøytronstjerner. Den forbedrede algoritmen skal lettere kunne plukke ut de svake tegnene på gravitasjonsbølger fra bakgrunnsstøy i dataene enn de tidligere versjonene av algoritmene.

En Hi-Def-æra for astronomi

I begynnelsen av mai 2023 startet LIGO en kort testkjøring – kalt en ingeniørkjøring – for å sikre at alt fungerte. 18. mai oppdaget LIGO gravitasjonsbølger sannsynlig produsert fra en nøytronstjerne som smelter sammen til et sort hull.

LIGOs 20-måneders observasjonsløp 04 offisielt startet 24. mai, og det vil senere få selskap av Jomfruen og et nytt japansk observatorium - Kamioka Gravitational Wave Detector, eller KAGRA.

Selv om det er mange vitenskapelige mål for dette løpet, er det et spesielt fokus på å oppdage og lokalisere gravitasjonsbølger i sanntid. Hvis teamet kan identifisere en gravitasjonsbølgehendelse, finne ut hvor bølgene kom fra og varsle andre astronomer om disse oppdagelsene raskt, ville det gjøre det mulig for astronomer å peke andre teleskoper som samler synlig lys, radiobølger eller andre typer data ved kilden av gravitasjonsbølgen. Samle flere kanaler med informasjon om en enkelt hendelse—astrofysikk med flere budbringere— er som å legge til farge og lyd til en svart-hvitt stumfilm og kan gi en mye dypere forståelse av astrofysiske fenomener.

Astronomer har bare observert en enkelt hendelse i både gravitasjonsbølger og synlig lys til dags dato — sammenslåingen av to nøytronstjerner sett i 2017. Men fra denne enkelthendelsen var fysikere i stand til å studere utvidelse av universet og bekrefte opprinnelsen til noen av de universets mest energiske hendelser kjent som gammastråle.

Med O4 vil astronomer ha tilgang til de mest følsomme gravitasjonsbølgeobservatoriene i historien og vil forhåpentligvis samle inn mer data enn noen gang før. Mine kolleger og jeg håper at de kommende månedene vil resultere i én – eller kanskje mange – observasjoner med flere budbringere som vil flytte grensene for moderne astrofysikk.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bildekreditt: NASAs Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simuleringsdata, d'Ascoli et al. 2018

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/