Gravitationsvågsdetektor LIGO är äntligen tillbaka online med spännande uppgraderingar för att göra det mycket mer känsligt

Efter ett treårigt uppehåll har forskare i USA precis slagit på detektorer som kan mäta gravitationsvågor– små krusningar in plats sig själv som reser genom universum.

Till skillnad från ljusvågor är gravitationsvågor nästan obehindrat av galaxer, stjärnor, gas och damm som fyller universum. Detta innebär att genom att mäta gravitationsvågor, astrofysiker som jag kan kika direkt in i hjärtat av några av de mest spektakulära fenomenen i universum.

Sedan 2020 har Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory - allmänt känt som LIGO— har suttit vilande medan den genomgick några spännande uppgraderingar. Dessa förbättringar kommer öka känsligheten avsevärt av LIGO och bör tillåta anläggningen att observera längre avlägsna föremål som producerar mindre krusningar i rumtid.

Genom att upptäcka fler av de händelser som skapar gravitationsvågor kommer det att finnas fler möjligheter för astronomer att också observera ljuset som produceras av samma händelser. Att se en händelse genom flera informationskanaler, ett tillvägagångssätt som heter multi-budbärare astronomi, ger astronomer sällsynta och eftertraktade möjligheter att lära sig om fysik långt bortom sfären av laboratorietestning.

Ripples i rymdtiden

Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori, massa och energi förvränger formen av rum och tid. Rumtidens böjning avgör hur objekt rör sig i förhållande till varandra - vad människor upplever som gravitation.

Gravitationsvågor skapas när massiva föremål som svarta hål eller neutronstjärnor smälter samman med varandra, producerar plötsliga, stora förändringar i rymden. Processen med rymdförvrängning och böjning skickar krusningar över universum som en vinka över en stilla damm. Dessa vågor färdas ut i alla riktningar från en störning, minutiöst böjande utrymme när de gör det och aldrig så lite ändra avståndet mellan föremål i deras väg.

[Inbäddat innehåll]

Även om de astronomiska händelserna som producerar gravitationsvågor involverar några av de mest massiva objekten i universum, är uttänjningen och sammandragningen av rymden oändligt liten. En stark gravitationsvåg som passerar genom Vintergatan kan bara ändra diametern på hela galaxen med tre fot (en meter).

De första gravitationsvågobservationerna

Även om det först förutsågs av Einstein 1916, hade forskare från den eran lite hopp om att mäta de små förändringarna i avstånd som postulerades av teorin om gravitationsvågor.

Runt år 2000 slutade forskare vid Caltech, Massachusetts Institute of Technology och andra universitet runt om i världen att konstruera vad som i princip är den mest exakta linjalen som någonsin byggts -LIGO.

LIGO består av två separata observatorier, med en i Hanford, Washington, och den andra i Livingston, Louisiana. Varje observatorium är format som ett gigantiskt L med två, 2.5 mil långa (fyra kilometer långa) armar som sträcker sig ut från centrum av anläggningen i 90 grader till varandra.

För att mäta gravitationsvågor lyser forskare med en laser från mitten av anläggningen till basen av L. Där delas lasern så att en stråle färdas ner för varje arm, reflekteras från en spegel och återvänder till basen. Om en gravitationsvåg passerar genom armarna medan lasern lyser, kommer de två strålarna att återvända till centrum vid lite olika tidpunkter. Genom att mäta denna skillnad kan fysiker urskilja att en gravitationsvåg passerade genom anläggningen.

LIGO började fungera i början av 2000-talet, men det var inte tillräckligt känsligt för att upptäcka gravitationsvågor. Så 2010 stängde LIGO-teamet tillfälligt ner anläggningen för att uppträda uppgraderingar för att öka känsligheten. Den uppgraderade versionen av LIGO startade samla in data under 2015 och nästan omedelbart upptäckt gravitationsvågor produceras från sammanslagning av två svarta hål.

Sedan 2015 har LIGO genomfört tre observationskörningar. Den första, körde O1, varade i cirka fyra månader; den andra, O2, omkring nio månader; och den tredje, O3, pågick i 11 månader innan covid-19-pandemin tvingade anläggningarna att stänga. Från och med körning O2 har LIGO observerat tillsammans med en Italienskt observatorium som heter Jungfrun.

Mellan varje körning förbättrade forskarna de fysiska komponenterna i detektorerna och dataanalysmetoderna. I slutet av körningen O3 i mars 2020 hade forskare i LIGO- och Jungfrusamarbetet upptäckt cirka 90 gravitationsvågor från sammansmältningen av svarta hål och neutronstjärnor.

Observatorierna har fortfarande ännu inte uppnått sin maximala designkänslighet. Så 2020 stängdes båda observatorierna för uppgraderingar återigen.

Göra några uppgraderingar

Forskare har arbetat med många tekniska förbättringar.

En särskilt lovande uppgradering innebar att lägga till en 1,000 300 fot (XNUMX meter) optisk kavitet att förbättra a teknik som kallas klämning. Klämning gör det möjligt för forskare att minska detektorbruset med hjälp av ljusets kvantegenskaper. Med denna uppgradering borde LIGO-teamet kunna upptäcka mycket svagare gravitationsvågor än tidigare.

Jag och mina lagkamrater är datavetare i LIGO-samarbetet, och vi har arbetat med ett antal olika uppgraderingar till programvara som används för att bearbeta LIGO-data och algoritmerna som känner igen tecken på gravitationsvågor i dessa data. Dessa algoritmer fungerar genom att söka efter mönster som matchar teoretiska modeller av miljoner möjliga sammanslagningar av svarta hål och neutronstjärnor. Den förbättrade algoritmen ska lättare kunna plocka ut de svaga tecknen på gravitationsvågor från bakgrundsbrus i data än de tidigare versionerna av algoritmerna.

En Hi-Def Era av astronomi

I början av maj 2023 påbörjade LIGO en kort testkörning – kallad en ingenjörskörning – för att se till att allt fungerade. Den 18 maj upptäckte LIGO sannolikt gravitationsvågor produceras av en neutronstjärna som smälter samman i ett svart hål.

LIGO:s 20-månaders observationskörning 04 officiellt började den 24 maj, och det kommer senare att få sällskap av Jungfrun och ett nytt japanskt observatorium - Kamioka Gravitational Wave Detector, eller KAGRA.

Även om det finns många vetenskapliga mål för denna körning, är det särskilt fokus på att upptäcka och lokalisera gravitationsvågor i realtid. Om teamet kan identifiera en gravitationsvåghändelse, ta reda på var vågorna kom ifrån och snabbt varna andra astronomer om dessa upptäckter, skulle det göra det möjligt för astronomer att rikta andra teleskop som samlar in synligt ljus, radiovågor eller andra typer av data vid källan av gravitationsvågen. Samla in flera kanaler med information om en enda händelse—astrofysik för flera budbärare— är som att lägga till färg och ljud till en svart-vit stumfilm och kan ge en mycket djupare förståelse av astrofysiska fenomen.

Astronomer har bara observerat en enda händelse i både gravitationsvågor och synligt ljus hittills — sammanslagningen av två neutronstjärnor sågs 2017. Men från denna enda händelse kunde fysiker studera universums expansion och bekräfta ursprunget till några av de universums mest energiska händelser känd som gammastrålar.

Med körningen O4 kommer astronomer att ha tillgång till de mest känsliga gravitationsvågsobservatorierna i historien och förhoppningsvis samla in mer data än någonsin tidigare. Jag och mina kollegor är hoppfulla att de kommande månaderna kommer att resultera i en – eller kanske många – observationer av flera budbärare som kommer att tänja på gränserna för modern astrofysik.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Bildkredit: NASA:s Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simuleringsdata, d'Ascoli et al. 2018

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/