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

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หลังจากหายไปสามปี นักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐฯ เพิ่งเปิดตัวเครื่องตรวจจับที่มีความสามารถ การวัดคลื่นความโน้มถ่วง- ระลอกคลื่นเล็กๆ ช่องว่าง ตัวเองที่เดินทางผ่านจักรวาล

คลื่นความโน้มถ่วงเกือบจะไม่เหมือนคลื่นแสง ไม่ถูกขัดขวางโดยกาแลคซี ดวงดาว ก๊าซ และฝุ่นละออง ที่เติมเต็มจักรวาล ซึ่งหมายความว่าโดยการวัดคลื่นความโน้มถ่วง นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างฉัน สามารถมองเข้าไปในใจกลางของปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งที่สุดในจักรวาลได้โดยตรง

ตั้งแต่ปี 2020 หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมตริก หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า LINK— อยู่เฉย ๆ ในขณะที่มันได้รับการอัพเกรดที่น่าตื่นเต้น การปรับปรุงเหล่านี้จะ เพิ่มความไวอย่างมาก ของ LIGO และควรอนุญาตให้โรงงานสามารถสังเกตวัตถุที่อยู่ห่างออกไปมากขึ้นซึ่งสร้างระลอกคลื่นที่เล็กกว่า กาลอวกาศ.

การตรวจจับเหตุการณ์ที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วงได้มากขึ้น จะทำให้นักดาราศาสตร์มีโอกาสสังเกตแสงที่เกิดจากเหตุการณ์เดียวกันเหล่านั้นได้มากขึ้น เห็นเหตุการณ์ ผ่านช่องทางข้อมูลข่าวสารต่างๆแนวทางที่เรียกว่า ดาราศาสตร์หลายผู้ส่งสาร, ให้นักดาราศาสตร์ โอกาสที่หายากและเป็นเจ้าข้าวเจ้าของ เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ที่อยู่นอกขอบเขตของการทดสอบในห้องปฏิบัติการใดๆ

แผนภาพแสดงพื้นที่แปรปรวนของดวงอาทิตย์และโลก — ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ วัตถุขนาดใหญ่บิดเบี้ยวพื้นที่รอบๆ เครดิตรูปภาพ: vchal/iStock ผ่าน Getty Images

ระลอกคลื่นในกาลอวกาศ

ตามที่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มวลและพลังงานบิดเบี้ยวรูปร่างของอวกาศและเวลา การโค้งงอของกาลอวกาศกำหนดว่าวัตถุเคลื่อนที่สัมพันธ์กันอย่างไร—สิ่งที่ผู้คนสัมผัสได้ว่าเป็นแรงดึงดูด

คลื่นความโน้มถ่วงถูกสร้างขึ้นเมื่อวัตถุขนาดใหญ่เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอนรวมเข้าด้วยกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในอวกาศ กระบวนการบิดเบี้ยวและงอของอวกาศส่งระลอกคลื่นไปทั่วจักรวาลเหมือนก คลื่นข้ามสระน้ำนิ่ง. คลื่นเหล่านี้เดินทางออกไปทุกทิศทุกทางจากสิ่งรบกวน ช่องว่างที่โค้งงอเล็กน้อยขณะที่มันทำเช่นนั้น และระยะห่างระหว่างวัตถุที่ขวางทางเปลี่ยนไปเล็กน้อย

[เนื้อหาฝัง]

แม้ว่าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงจะเกี่ยวข้องกับวัตถุขนาดใหญ่ที่สุดในเอกภพ การยืดและหดตัวของอวกาศนั้นน้อยมาก คลื่นความโน้มถ่วงที่รุนแรงผ่านทางช้างเผือกอาจทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของกาแลคซีทั้งหมดเปลี่ยนไปเพียงสามฟุต (หนึ่งเมตร)

การสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก

แม้ว่าไอน์สไตน์จะทำนายเป็นครั้งแรกในปี 1916 แต่นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นแทบไม่มีความหวังที่จะวัดการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในระยะทางตามทฤษฎีคลื่นความโน้มถ่วง

ประมาณปี 2000 นักวิทยาศาสตร์จาก Caltech, Massachusetts Institute of Technology และมหาวิทยาลัยอื่นๆ ทั่วโลกได้เสร็จสิ้นการสร้างไม้บรรทัดที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา—LINK.

สิ่งอำนวยความสะดวกรูปตัว L ที่มีแขนยาวสองแขนยื่นออกมาจากอาคารกลาง — เครื่องตรวจจับ LIGO ในเมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน ใช้เลเซอร์เพื่อวัดการยืดตัวของอวกาศที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง เครดิตรูปภาพ: ห้องปฏิบัติการ LIGO

LIGO ประกอบด้วยหอดูดาวสองแห่งแยกกันโดยร้านหนึ่งตั้งอยู่ในเมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน และอีกแห่งอยู่ที่เมืองลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา หอดูดาวแต่ละแห่งมีรูปร่างคล้ายตัวแอลขนาดยักษ์ที่มีแขน 2.5 ข้างยาว 90 ไมล์ (สี่กิโลเมตร) ยื่นออกมาจากใจกลางของอาคารทำมุมกัน XNUMX องศา

ในการวัดคลื่นความโน้มถ่วง นักวิจัยจะฉายแสงเลเซอร์จากศูนย์กลางของสถานที่ไปยังฐานของ L ที่นั่น เลเซอร์จะถูกแยกออกเพื่อให้ลำแสงเคลื่อนที่ลงไปยังแขนแต่ละข้าง สะท้อนจากกระจกและส่งกลับไปที่ฐาน หากคลื่นความโน้มถ่วงผ่านแขนในขณะที่เลเซอร์ส่องแสง ลำแสงทั้งสองจะกลับสู่ศูนย์กลางในเวลาที่ต่างกันเล็กน้อย โดยการวัดความแตกต่างนี้ นักฟิสิกส์สามารถแยกแยะได้ว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงผ่านวัตถุ

LIGO เริ่มดำเนินการ ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 แต่มันไม่ไวพอที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ ดังนั้น ในปี 2010 ทีมงาน LIGO จึงปิดสถานที่ชั่วคราวเพื่อทำการแสดง อัพเกรดเพื่อเพิ่มความไว. LIGO รุ่นอัพเกรดเริ่มต้นขึ้นแล้ว รวบรวมข้อมูลในปี 2015 และเกือบจะในทันที ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง เกิดจากการรวมตัวกันของหลุมดำสองหลุม

ตั้งแต่ปี 2015 LIGO ได้เสร็จสิ้นลงแล้ว การสังเกตการณ์สามครั้ง. ครั้งแรก เรียกใช้ O1 กินเวลาประมาณสี่เดือน ครั้งที่สอง O2 ประมาณเก้าเดือน และแห่งที่สาม O3 ดำเนินการเป็นเวลา 11 เดือนก่อนที่การระบาดใหญ่ของ COVID-19 จะทำให้สิ่งอำนวยความสะดวกต้องปิดลง เริ่มต้นจากการรัน O2 LIGO ได้ร่วมสังเกตการณ์กับ หอดูดาวอิตาลีชื่อราศีกันย์.

ระหว่างการทำงานแต่ละครั้ง นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับปรุงส่วนประกอบทางกายภาพของเครื่องตรวจจับและวิธีการวิเคราะห์ข้อมูล เมื่อสิ้นสุดการดำเนินการ O3 ในเดือนมีนาคม 2020 นักวิจัยในการทำงานร่วมกันของ LIGO และ Virgo ได้ตรวจพบ คลื่นความโน้มถ่วงประมาณ 90 จากการรวมตัวของหลุมดำและดาวนิวตรอน

หอดูดาวยังคงมี ยังไม่บรรลุความไวในการออกแบบสูงสุด. ดังนั้นในปี 2020 หอดูดาวทั้งสองแห่งจึงปิดตัวลงเพื่อทำการอัพเกรด อีกครั้ง.

คนสองคนในชุดแล็บสีขาวกำลังทำงานเกี่ยวกับเครื่องจักรที่ซับซ้อน — การอัปเกรดเป็นอุปกรณ์เชิงกลและอัลกอริธึมการประมวลผลข้อมูลควรทำให้ LIGO สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่จางลงกว่าในอดีต เครดิตรูปภาพ: LIGO/คาลเทค/MIT/เจฟฟ์ คิสเซล, CC BY-ND

ทำการอัพเกรดบางอย่าง

นักวิทยาศาสตร์ได้ดำเนินการเกี่ยวกับ การปรับปรุงทางเทคโนโลยีมากมาย.

การอัปเกรดที่มีแนวโน้มดีอย่างหนึ่งคือการเพิ่มความสูง 1,000 ฟุต (300 เมตร) ช่องแสง เพื่อปรับปรุง เทคนิคที่เรียกว่าการบีบ. การบีบช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถลดสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับโดยใช้คุณสมบัติควอนตัมของแสง ด้วยการอัปเกรดนี้ ทีมงาน LIGO น่าจะสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่อ่อนกว่าที่เคยได้

เพื่อนร่วมทีมของฉันและฉัน เป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านข้อมูลในการทำงานร่วมกันของ LIGO และเราได้ดำเนินการอัปเกรดต่างๆ มากมายเพื่อ ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการประมวลผลข้อมูล LIGO และอัลกอริทึมที่รับรู้ สัญญาณของคลื่นความโน้มถ่วงในข้อมูลนั้น. อัลกอริทึมเหล่านี้ทำงานโดยการค้นหารูปแบบที่ตรงกัน แบบจำลองทางทฤษฎีนับล้าน ของหลุมดำและเหตุการณ์การควบรวมดาวนิวตรอนที่เป็นไปได้ อัลกอริทึมที่ได้รับการปรับปรุงควรจะสามารถแยกแยะสัญญาณจางๆ ของคลื่นความโน้มถ่วงจากสัญญาณรบกวนพื้นหลังในข้อมูลได้ง่ายกว่าอัลกอริทึมเวอร์ชันก่อนหน้า

GIF ที่แสดงดวงดาวที่สว่างไสวในช่วง XNUMX-XNUMX วัน — นักดาราศาสตร์จับภาพทั้งคลื่นความโน้มถ่วงและแสงที่เกิดจากเหตุการณ์เดียว นั่นคือการรวมตัวของดาวนิวตรอนสองดวง การเปลี่ยนแปลงของแสงสามารถเห็นได้ในช่วงสองสามวันในส่วนแทรกด้านขวาบน เครดิตรูปภาพ: กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล NASA และ ESA

ยุค Hi-Def ของดาราศาสตร์

ในช่วงต้นเดือนพฤษภาคม 2023 LIGO ได้เริ่มดำเนินการทดสอบสั้นๆ ซึ่งเรียกว่าการทดสอบทางวิศวกรรม เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานได้ดี เมื่อวันที่ 18 พฤษภาคม LIGO ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง เกิดจากดาวนิวตรอนรวมตัวกันเป็นหลุมดำ.

การสังเกตการณ์ 20 เดือนของ LIGO ดำเนินการ 04 อย่างเป็นทางการ เริ่มวันที่ 24 พฤษภาคม พ.ศ. และหลังจากนั้นจะเข้าร่วมโดย Virgo และหอดูดาวแห่งใหม่ของญี่ปุ่น—Kamioka Gravitational Wave Detector หรือ KAGRA

แม้ว่าจะมีเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์มากมายสำหรับการวิ่งครั้งนี้ แต่ก็มีจุดเน้นเฉพาะที่การตรวจจับและกำหนดตำแหน่งของคลื่นความโน้มถ่วงตามเวลาจริง หากทีมสามารถระบุเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง ค้นหาว่าคลื่นมาจากไหน และแจ้งเตือนนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ให้ทราบถึงการค้นพบเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็ว จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ชี้กล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ที่รวบรวมแสงที่ตามองเห็น คลื่นวิทยุ หรือข้อมูลประเภทอื่นๆ ที่แหล่งกำเนิดได้ ของคลื่นความโน้มถ่วง การรวบรวมข้อมูลหลายช่องทางในเหตุการณ์เดียว—ฟิสิกส์ดาราศาสตร์หลายผู้ส่งสาร—เปรียบเสมือนการเติมสีและเสียงให้กับภาพยนตร์เงียบขาวดำ และสามารถให้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์

นักดาราศาสตร์สังเกตเหตุการณ์เพียงครั้งเดียว ทั้งในคลื่นความโน้มถ่วงและแสงที่ตามองเห็น จนถึงปัจจุบัน - การควบรวมกิจการของ พบดาวนิวตรอน 2017 ดวงในปี XNUMX. แต่จากเหตุการณ์เดียวนี้ นักฟิสิกส์สามารถศึกษา การขยายตัวของจักรวาล และยืนยันที่มาของบางส่วน เหตุการณ์ที่มีพลังมากที่สุดในจักรวาล รู้จักกันในนาม รังสีแกมม่าระเบิด.

ด้วยการเรียกใช้ O4 นักดาราศาสตร์จะสามารถเข้าถึงหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ไวที่สุดในประวัติศาสตร์ และหวังว่าจะรวบรวมข้อมูลได้มากกว่าที่เคยเป็นมา เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันหวังว่าในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้าจะส่งผลให้เกิดการสังเกตแบบหลายผู้ส่งสารหนึ่งคนหรืออาจมากกว่านั้น ซึ่งจะผลักดันขอบเขตของฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตรูปภาพ: ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA/Scott Noble; ข้อมูลจำลอง d'Ascoli และคณะ 2018