Detektor gravitacijskih valov LIGO je končno spet na spletu z vznemirljivimi nadgradnjami, ki ga naredijo veliko bolj občutljivega

Po treh letih premora so znanstveniki v ZDA pravkar vklopili detektorje, ki so zmožni merjenje gravitacijskih valov— drobno valovanje prostor ki potujejo po vesolju.

Za razliko od svetlobnih valov so gravitacijski valovi skoraj neovirano z galaksijami, zvezdami, plinom in prahom ki polnijo vesolje. To pomeni, da z merjenjem gravitacijskih valov, astrofiziki, kot sem jaz lahko pokuka neposredno v srce nekaterih najbolj spektakularnih pojavov v vesolju.

Od leta 2020 Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory – splošno znan kot LIGO— je miroval, medtem ko je bil podvržen nekaj razburljivim nadgradnjam. Te izboljšave bodo bistveno povečajo občutljivost LIGO in bi moral omogočiti objektu opazovanje bolj oddaljenih predmetov, ki proizvajajo manjše valovanje v prostor -čas.

Z zaznavanjem več dogodkov, ki ustvarjajo gravitacijske valove, bo astronomom več priložnosti, da opazujejo tudi svetlobo, ki jo proizvajajo ti isti dogodki. Ogled dogodka prek več informacijskih kanalov, pristop, imenovan astronomija z več sporočili, zagotavlja astronomi redke in želene priložnosti spoznati fiziko, ki je daleč onkraj področja kakršnega koli laboratorijskega testiranja.

Valovanje v prostoru-času

Glede na Einsteinova teorija splošne relativnosti, masa in energija izkrivljata obliko prostora in časa. Upogibanje prostora-časa določa, kako se predmeti gibljejo drug glede na drugega – kar ljudje doživljajo kot gravitacijo.

Gravitacijski valovi nastanejo, ko masivni predmeti kot črne luknje ali nevtronske zvezde se združijo med seboj, ki povzroča nenadne, velike spremembe v prostoru. Proces zvijanja in upogibanja vesolja pošilja valovanje po vesolju kot a pomahati čez mirni ribnik. Ti valovi potujejo v vse smeri od motenj, pri tem pa rahlo ukrivljajo prostor in vedno tako rahlo spreminjajo razdaljo med predmeti na svoji poti.

[Vgrajeni vsebina]

Čeprav astronomski dogodki, ki povzročajo gravitacijske valove, vključujejo nekatere najmasivnejše predmete v vesolju, je raztezanje in krčenje prostora neskončno majhno. Močan gravitacijski val, ki gre skozi Mlečno cesto, lahko spremeni premer celotne galaksije le za en meter.

Prva opazovanja gravitacijskih valov

Čeprav ga je prvi napovedal Einstein leta 1916, so znanstveniki tiste dobe imeli malo upanja, da bodo izmerili majhne spremembe v razdalji, ki jih je predvidevala teorija gravitacijskih valov.

Okoli leta 2000 so znanstveniki na Caltechu, Massachusetts Institute of Technology in drugih univerzah po vsem svetu končali s konstruiranjem v bistvu najbolj natančnega ravnila, kar jih je bilo kdaj izdelano –LIGO.

LIGO je sestavljen iz dveh ločenih observatorijev, pri čemer je eden v Hanfordu v Washingtonu, drugi pa v Livingstonu v Louisiani. Vsak observatorij je oblikovan kot velikanski L z dvema 2.5 milje dolgima (štiri kilometre) krakoma, ki se raztezata iz središča objekta pod kotom 90 stopinj drug proti drugemu.

Za merjenje gravitacijskih valov raziskovalci usmerijo laser od središča objekta do vznožja črke L. Tam se laser razdeli tako, da žarek potuje navzdol po vsakem kraku, se odbije od zrcala in se vrne v podnožje. Če gre gravitacijski val skozi roke, medtem ko laser sije, se bosta oba žarka vrnila v središče ob tako malo različnih časih. Z merjenjem te razlike lahko fiziki ugotovijo, da je skozi objekt šel gravitacijski val.

LIGO je začel delovati v začetku leta 2000, vendar ni bil dovolj občutljiv za zaznavanje gravitacijskih valov. Tako je leta 2010 ekipa LIGO začasno zaprla objekt zaradi izvedbe nadgradnje za povečanje občutljivosti. Začela se je nadgradnja različice LIGO zbiranje podatkov v letu 2015 in skoraj takoj zaznani gravitacijski valovi nastala z združitvijo dveh črnih lukenj.

Od leta 2015 je LIGO dokončan tri opazovalne vožnje. Prva, serija O1, je trajala približno štiri mesece; drugi, O2, približno devet mesecev; in tretji, O3, je deloval 11 mesecev, preden je pandemija COVID-19 prisilila zaprtje objektov. Od zagona O2 je LIGO opazoval skupaj z an italijanski observatorij Virgo.

Med vsakim zagonom so znanstveniki izboljšali fizične komponente detektorjev in metode analize podatkov. Do konca serije O3 marca 2020 so raziskovalci v sodelovanju LIGO in Virgo odkrili približno 90 gravitacijskih valov zaradi zlitja črnih lukenj in nevtronskih zvezd.

Observatoriji imajo še vedno še niso dosegli največje občutljivosti zasnove. Tako sta se leta 2020 oba observatorija zaprla zaradi posodobitev še enkrat.

Izdelava nekaterih nadgradenj

Znanstveniki so delali na številne tehnološke izboljšave.

Ena posebej obetavna nadgradnja je vključevala dodajanje 1,000 čevljev (300 metrov) optična votlina izboljšati a tehniko, imenovano stiskanje. Stiskanje omogoča znanstvenikom, da zmanjšajo hrup detektorja z uporabo kvantnih lastnosti svetlobe. S to nadgradnjo bi morala biti ekipa LIGO sposobna zaznati veliko šibkejše gravitacijske valove kot prej.

Moji soigralci in jaz smo podatkovni znanstveniki v sodelovanju LIGO in delali smo na številnih različnih nadgradnjah programska oprema, ki se uporablja za obdelavo podatkov LIGO in algoritmi, ki prepoznajo znaki gravitacijskih valov v teh podatkih. Ti algoritmi delujejo tako, da iščejo vzorce, ki se ujemajo teoretični modeli milijonov možnih dogodkov združitve črne luknje in nevtronske zvezde. Izboljšani algoritem bi moral imeti možnost, da lažje izbere šibke znake gravitacijskih valov iz hrupa v ozadju v podatkih kot prejšnje različice algoritmov.

Obdobje visoke ločljivosti astronomije

V začetku maja 2023 je LIGO začel kratek testni zagon – imenovan inženirski zagon – da bi se prepričal, da vse deluje. 18. maja je LIGO zaznal verjetne gravitacijske valove nastane iz nevtronske zvezde, ki se združi v črno luknjo.

Uradno 20-mesečno opazovanje LIGO 04 začel 24. maja, kasneje pa se ji bosta pridružila še Virgo in nov japonski observatorij - detektor gravitacijskih valov Kamioka ali KAGRA.

Medtem ko je za to vožnjo veliko znanstvenih ciljev, je poseben poudarek na odkrivanju in lokalizaciji gravitacijskih valov v realnem času. Če lahko ekipa identificira dogodek gravitacijskih valov, ugotovi, od kod so valovi prišli, in druge astronome hitro opozori na ta odkritja, bi astronomom omogočilo, da na vir usmerijo druge teleskope, ki zbirajo vidno svetlobo, radijske valove ali druge vrste podatkov. gravitacijskega valovanja. Zbiranje več kanalov informacij o enem dogodku—astrofizika z več sporočili—je kot dodajanje barve in zvoka črno-belemu nememu filmu in lahko zagotovi veliko globlje razumevanje astrofizikalnih pojavov.

Astronomi so opazili samo en dogodek tako v gravitacijskih valovih kot v vidni svetlobi do danes—združitev dve nevtronski zvezdi, vidni leta 2017. Toda iz tega posameznega dogodka so fiziki lahko raziskali širitev vesolja in potrditi izvor nekaterih najbolj energični dogodki v vesolju poznan kot izbruhi gama žarkov.

Z izvedbo O4 bodo imeli astronomi dostop do najobčutljivejših observatorijev gravitacijskih valov v zgodovini in upajmo, da bodo zbrali več podatkov kot kdaj koli prej. Moji kolegi in jaz upamo, da bodo prihodnji meseci privedli do enega ali morda več opazovanj z več sporočili, ki bodo premaknila meje sodobne astrofizike.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Avtorstvo slike: Nasin Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulacijski podatki, d'Ascoli et al. 2018

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/