Gravitational Wave Detector LIGO Is Finally Back Online With Exciting Upgrades To Make It Way More Sensitive

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

După o pauză de trei ani, oamenii de știință din SUA tocmai au pornit detectoare capabile măsurarea undelor gravitaționale— valuri mici înăuntru spaţiu în sine care călătoresc prin univers.

Spre deosebire de undele luminoase, undele gravitaționale sunt aproape nestingherit de galaxii, stele, gaze și praf care umplu universul. Aceasta înseamnă că prin măsurarea undelor gravitaționale, astrofizicieni ca mine poate privi direct în inima unora dintre cele mai spectaculoase fenomene din univers.

Din 2020, Observatorul undelor gravitaționale interferometrice cu laser, cunoscut în mod obișnuit ca LIGO— a stat inactiv în timp ce a suferit niște upgrade-uri interesante. Aceste îmbunătățiri vor crește semnificativ sensibilitatea de LIGO și ar trebui să permită unității să observe obiecte mai îndepărtate care produc ondulații mai mici spațiu timp.

Prin detectarea mai multor evenimente care creează unde gravitaționale, vor exista mai multe oportunități pentru astronomi de a observa și lumina produsă de aceleași evenimente. Văzând un eveniment prin mai multe canale de informare, o abordare numită astronomie multi-mesager, oferă astronomilor oportunități rare și râvnite pentru a învăța despre fizică mult dincolo de domeniul oricărei teste de laborator.

O diagramă care arată spațiul deformat al Soarelui și al Pământului. — Conform teoriei relativității generale a lui Einstein, obiectele masive deformează spațiul din jurul lor. Credit imagine: vchal/iStock prin Getty Images

Ondulări în spațiu-timp

În conformitate cu Teoria relativității generale a lui Einstein, masa și energia deformează forma spațiului și timpului. Îndoirea spațiului-timp determină modul în care obiectele se mișcă unele în raport cu altele - ceea ce oamenii experimentează ca gravitație.

Undele gravitaționale sunt create atunci când obiecte masive le place găurile negre sau stele neutronice fuzionează unele cu altele, producând schimbări bruște, mari în spațiu. Procesul de deformare și îndoire a spațiului trimite ondulații în univers ca un flutură peste un iaz nemișcat. Aceste valuri se deplasează în toate direcțiile dintr-o perturbare, curbând minut spațiul în timp ce fac acest lucru și modificând ușor distanța dintre obiectele din calea lor.

[Conținutul încorporat]

Chiar dacă evenimentele astronomice care produc unde gravitaționale implică unele dintre cele mai masive obiecte din univers, întinderea și contractarea spațiului este infinitezimal de mică. O undă gravitațională puternică care trece prin Calea Lactee poate schimba diametrul întregii galaxii doar cu trei picioare (un metru).

Primele observații ale undelor gravitaționale

Deși au fost prezise pentru prima dată de Einstein în 1916, oamenii de știință din acea epocă aveau puține speranțe de a măsura micile schimbări ale distanței postulate de teoria undelor gravitaționale.

În jurul anului 2000, oamenii de știință de la Caltech, Institutul de Tehnologie din Massachusetts și alte universități din întreaga lume au terminat de construit ceea ce este în esență cel mai precis riglă construit vreodată -LIGO.

O instalație în formă de L cu două brațe lungi care se extind dintr-o clădire centrală. — Detectorul LIGO din Hanford, Washington, folosește lasere pentru a măsura întinderea minusculă a spațiului cauzată de o undă gravitațională. Credit imagine: Laboratorul LIGO

LIGO este compus din două observatoare separate, cu unul situat în Hanford, Washington, iar celălalt în Livingston, Louisiana. Fiecare observator are forma unui L gigant cu două brațe lungi de 2.5 mile (patru kilometri) care se extind din centrul instalației la 90 de grade unul față de celălalt.

Pentru a măsura undele gravitaționale, cercetătorii strălucesc un laser din centrul instalației până la baza L. Acolo, laserul este împărțit astfel încât un fascicul călătorește pe fiecare braț, se reflectă în oglindă și se întoarce la bază. Dacă o undă gravitațională trece prin brațe în timp ce laserul strălucește, cele două fascicule se vor întoarce în centru în momente ușor diferite. Măsurând această diferență, fizicienii pot discerne că o undă gravitațională a trecut prin instalație.

LIGO a început să funcționeze la începutul anilor 2000, dar nu era suficient de sensibil pentru a detecta undele gravitaționale. Așa că, în 2010, echipa LIGO a închis temporar instalația pentru a face spectacol upgrade-uri pentru a crește sensibilitatea. Versiunea actualizată a LIGO a început colectarea datelor în 2015 și aproape imediat unde gravitaționale detectate produs din fuziunea a două găuri negre.

Din 2015, LIGO a fost finalizat trei curse de observare. Prima, executarea O1, a durat aproximativ patru luni; al doilea, O2, aproximativ nouă luni; iar al treilea, O3, a funcționat timp de 11 luni înainte ca pandemia de COVID-19 să forțeze instalațiile să se închidă. Începând cu run O2, LIGO a observat împreună cu un Observatorul italian numit Fecioara.

Între fiecare cursă, oamenii de știință au îmbunătățit componentele fizice ale detectorilor și metodele de analiză a datelor. Până la sfârșitul cursei O3 în martie 2020, cercetătorii din colaborarea LIGO și Virgo au detectat aproximativ 90 de unde gravitaționale de la fuziunea găurilor negre și a stelelor neutronice.

Observatoarele au încă nu și-au atins încă sensibilitatea maximă de proiectare. Deci, în 2020, ambele observatoare s-au închis pentru upgrade-uri încă o dată.

Doi oameni în ținute albe de laborator care lucrează la mașini complicate. — Actualizările echipamentelor mecanice și ale algoritmilor de procesare a datelor ar trebui să permită LIGO să detecteze unde gravitaționale mai slabe decât în trecut. Credit imagine: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel, CC BY-ND

Efectuarea unor upgrade-uri

Oamenii de știință au lucrat multe îmbunătățiri tehnologice.

O actualizare deosebit de promițătoare a implicat adăugarea unui 1,000 de picioare (300 de metri) cavitatea optică a îmbunătăți a tehnica numita stoarcere. Strângerea le permite oamenilor de știință să reducă zgomotul detectorului folosind proprietățile cuantice ale luminii. Cu această actualizare, echipa LIGO ar trebui să poată detecta unde gravitaționale mult mai slabe decât înainte.

Eu și colegii mei suntem oameni de știință ai datelor în colaborarea LIGO și am lucrat la o serie de upgrade-uri diferite software utilizat pentru procesarea datelor LIGO și algoritmii care recunosc semne ale undelor gravitaționale în acele date. Acești algoritmi funcționează prin căutarea modelelor care se potrivesc modele teoretice de milioane a posibilelor evenimente de fuziune a găurii negre și a stelelor neutronice. Algoritmul îmbunătățit ar trebui să poată identifica mai ușor semnele slabe ale undelor gravitaționale din zgomotul de fond din date decât versiunile anterioare ale algoritmilor.

Un GIF care arată o stea care se strălucește în câteva zile. — Astronomii au capturat atât undele gravitaționale, cât și lumina produsă de un singur eveniment, fuziunea a două stele neutronice. Schimbarea luminii poate fi observată pe parcursul a câteva zile în interiorul din dreapta sus. Credit imagine: Telescopul spațial Hubble, NASA și ESA

O Eră Hi-Def a Astronomiei

La începutul lunii mai 2023, LIGO a început o scurtă execuție de testare – numită rulare de inginerie – pentru a se asigura că totul funcționează. Pe 18 mai, LIGO a detectat unde gravitaționale probabil produs dintr-o stea neutronică care se contopește într-o gaură neagră.

Activitatea de observare a LIGO de 20 de luni 04 oficial a început pe 24 mai, iar mai târziu i se va alătura Fecioara și un nou observator japonez - Detectorul de unde gravitaționale Kamioka sau KAGRA.

Deși există multe obiective științifice pentru această cursă, există un accent deosebit pe detectarea și localizarea undelor gravitaționale în timp real. Dacă echipa poate identifica un eveniment de unde gravitaționale, poate afla de unde au venit valurile și poate alerta alți astronomi cu privire la aceste descoperiri rapid, ar permite astronomilor să îndrepte alte telescoape care colectează lumină vizibilă, unde radio sau alte tipuri de date la sursă. a undei gravitaţionale. Colectarea mai multor canale de informații despre un singur eveniment—astrofizică multi-mesager— este ca și cum adăugați culoare și sunet la un film mut alb-negru și poate oferi o înțelegere mult mai profundă a fenomenelor astrofizice.

Astronomii au observat doar un singur eveniment atât în undele gravitaționale, cât și în lumina vizibilă până în prezent — fuziunea de două stele neutronice văzute în 2017. Dar din acest singur eveniment, fizicienii au putut să studieze expansiunea universului și confirmă originea unora dintre cele mai energice evenimente din univers cunoscut ca izbucniri de raze gamma.

Cu rularea O4, astronomii vor avea acces la cele mai sensibile observatoare de unde gravitaționale din istorie și sperăm că vor colecta mai multe date decât oricând. Colegii mei și cu mine sperăm că lunile următoare vor avea ca rezultat una – sau poate multe – observații cu mesaje multiple care vor depăși granițele astrofizicii moderne.

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

Credit imagine: Centrul de zbor spațial Goddard al NASA/Scott Noble; date de simulare, d'Ascoli et al. 2018