Máy dò sóng hấp dẫn LIGO cuối cùng đã hoạt động trở lại với những nâng cấp thú vị để làm cho nó nhạy hơn

Sau XNUMX năm gián đoạn, các nhà khoa học Mỹ vừa bật chế máy dò có khả năng đo sóng hấp dẫn—những gợn sóng nhỏ trong không gian chính nó du hành trong vũ trụ.

Không giống như sóng ánh sáng, sóng hấp dẫn gần như không bị cản trở bởi các thiên hà, sao, khí và bụi lấp đầy vũ trụ. Điều này có nghĩa là bằng cách đo sóng hấp dẫn, nhà vật lý thiên văn như tôi có thể nhìn thẳng vào trung tâm của một số hiện tượng ngoạn mục nhất trong vũ trụ.

Kể từ năm 2020, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser—thường được gọi là LIGO—đã không hoạt động trong khi trải qua một số nâng cấp thú vị. Những cải tiến này sẽ tăng đáng kể độ nhạy của LIGO và sẽ cho phép cơ sở quan sát các vật thể ở xa hơn tạo ra các gợn sóng nhỏ hơn trong không thời gian.

Bằng cách phát hiện thêm nhiều sự kiện tạo ra sóng hấp dẫn, sẽ có nhiều cơ hội hơn cho các nhà thiên văn quan sát ánh sáng được tạo ra bởi chính những sự kiện đó. Nhìn thấy một sự kiện thông qua nhiều kênh thông tin, một cách tiếp cận gọi là thiên văn đa sứ giả, cung cấp cho các nhà thiên văn học cơ hội hiếm có và thèm muốn để tìm hiểu về vật lý vượt xa lĩnh vực thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Gợn sóng trong không thời gian

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, khối lượng và năng lượng làm cong hình dạng của không gian và thời gian. Sự uốn cong của không thời gian xác định cách các vật thể di chuyển trong mối quan hệ với nhau—điều mà con người coi là lực hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn được tạo ra khi các vật thể lớn như lỗ đen hoặc sao neutron hợp nhất với nhau, tạo ra những thay đổi đột ngột, lớn trong không gian. Quá trình làm cong và uốn cong không gian gửi những gợn sóng khắp vũ trụ giống như một sóng qua một cái ao tĩnh lặng. Những sóng này truyền đi theo mọi hướng từ một sự xáo trộn, uốn cong không gian một cách tinh vi khi chúng làm như vậy và luôn thay đổi rất ít khoảng cách giữa các vật thể trên đường đi của chúng.

[Nhúng nội dung]

Mặc dù các sự kiện thiên văn tạo ra sóng hấp dẫn liên quan đến một số vật thể nặng nhất trong vũ trụ, nhưng sự giãn ra và co lại của không gian là vô cùng nhỏ. Một làn sóng hấp dẫn mạnh đi qua Dải Ngân hà có thể chỉ làm thay đổi đường kính của toàn bộ thiên hà ba feet (một mét).

Các quan sát sóng hấp dẫn đầu tiên

Mặc dù được Einstein tiên đoán lần đầu tiên vào năm 1916, nhưng các nhà khoa học thời đó có rất ít hy vọng đo được những thay đổi nhỏ về khoảng cách do thuyết sóng hấp dẫn đưa ra.

Vào khoảng năm 2000, các nhà khoa học tại Caltech, Viện Công nghệ Massachusetts và các trường đại học khác trên khắp thế giới đã hoàn thành việc chế tạo cái về cơ bản là chiếc thước kẻ chính xác nhất từng được chế tạo—LIGO.

LIGO bao gồm hai đài quan sát riêng biệt, với một ở Hanford, Washington, và một ở Livingston, Louisiana. Mỗi đài quan sát có hình chữ L khổng lồ với hai cánh tay dài 2.5 dặm (dài 90 km) vươn ra từ trung tâm của cơ sở ở góc XNUMX độ với nhau.

Để đo sóng hấp dẫn, các nhà nghiên cứu chiếu một tia laze từ trung tâm của cơ sở đến chân đế của chữ L. Ở đó, tia laze được tách ra để một chùm tia đi xuống mỗi cánh tay, phản xạ khỏi gương và quay trở lại đế. Nếu một sóng hấp dẫn đi qua các cánh tay trong khi tia laze đang chiếu sáng, thì hai chùm tia sẽ quay trở lại tâm vào những thời điểm hơi khác nhau. Bằng cách đo lường sự khác biệt này, các nhà vật lý có thể nhận ra rằng một sóng hấp dẫn đã truyền qua cơ sở.

LIGO bắt đầu hoạt động vào đầu những năm 2000, nhưng nó không đủ nhạy để phát hiện ra sóng hấp dẫn. Vì vậy, vào năm 2010, nhóm LIGO đã tạm thời đóng cửa cơ sở để thực hiện nâng cấp để tăng độ nhạy. Phiên bản nâng cấp của LIGO bắt đầu thu thập dữ liệu vào năm 2015 và gần như ngay lập tức phát hiện sóng hấp dẫn được tạo ra từ sự hợp nhất của hai lỗ đen.

Từ năm 2015, LIGO đã hoàn thành ba lần chạy quan sát. Lần đầu tiên, chạy O1, kéo dài khoảng bốn tháng; thứ hai, O2, khoảng chín tháng; và thứ ba, O3, đã hoạt động được 11 tháng trước khi đại dịch COVID-19 buộc các cơ sở phải đóng cửa. Bắt đầu với lần chạy O2, LIGO đã cùng quan sát với một Đài quan sát của Ý có tên là Xử Nữ.

Giữa mỗi lần chạy, các nhà khoa học đã cải thiện các thành phần vật lý của máy dò và phương pháp phân tích dữ liệu. Vào cuối đợt chạy O3 vào tháng 2020 năm XNUMX, các nhà nghiên cứu trong sự hợp tác của LIGO và Virgo đã phát hiện ra khoảng 90 sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của lỗ đen và sao neutron.

Các đài quan sát vẫn chưa đạt được độ nhạy thiết kế tối đa. Vì vậy, vào năm 2020, cả hai đài quan sát đều ngừng hoạt động để nâng cấp lần nữa.

Thực hiện một số nâng cấp

Các nhà khoa học đã làm việc trên nhiều cải tiến công nghệ.

Một bản nâng cấp đặc biệt hứa hẹn liên quan đến việc bổ sung một đường ống dài 1,000 foot (300 mét) hốc quang học để cải thiện một kỹ thuật gọi là ép. Việc ép cho phép các nhà khoa học giảm tiếng ồn của máy dò bằng cách sử dụng các đặc tính lượng tử của ánh sáng. Với bản nâng cấp này, nhóm LIGO sẽ có thể phát hiện các sóng hấp dẫn yếu hơn nhiều so với trước đây.

Đồng đội của tôi và tôi là các nhà khoa học dữ liệu trong sự hợp tác của LIGO và chúng tôi đang thực hiện một số nâng cấp khác nhau cho phần mềm được sử dụng để xử lý dữ liệu LIGO và các thuật toán nhận dạng dấu hiệu của sóng hấp dẫn trong dữ liệu đó. Các thuật toán này hoạt động bằng cách tìm kiếm các mẫu phù hợp mô hình lý thuyết triệu về các sự kiện sáp nhập sao neutron và lỗ đen có thể xảy ra. Thuật toán cải tiến sẽ có thể dễ dàng nhận ra các dấu hiệu mờ nhạt của sóng hấp dẫn từ tiếng ồn xung quanh trong dữ liệu so với các phiên bản trước của thuật toán.

Kỷ nguyên Thiên văn Hi-Def

Vào đầu tháng 2023 năm 18, LIGO bắt đầu một đợt chạy thử nghiệm ngắn—được gọi là đợt chạy kỹ thuật—để đảm bảo mọi thứ đều hoạt động. Vào ngày XNUMX tháng XNUMX, LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn có khả năng được tạo ra từ một ngôi sao neutron sáp nhập vào một lỗ đen.

Chính thức chạy quan sát 20 tháng của LIGO 04 bắt đầu vào ngày 24 tháng XNUMX, và sau đó nó sẽ được tham gia bởi Xử Nữ và một đài quan sát mới của Nhật Bản—Máy dò sóng hấp dẫn Kamioka, hay KAGRA.

Mặc dù có nhiều mục tiêu khoa học cho lần chạy này, nhưng có một trọng tâm đặc biệt là phát hiện và định vị sóng hấp dẫn trong thời gian thực. Nếu nhóm có thể xác định một sự kiện sóng hấp dẫn, tìm ra nguồn gốc của sóng và cảnh báo các nhà thiên văn học khác về những khám phá này một cách nhanh chóng, nó sẽ cho phép các nhà thiên văn hướng các kính thiên văn khác thu thập ánh sáng nhìn thấy, sóng vô tuyến hoặc các loại dữ liệu khác tại nguồn của sóng hấp dẫn. Thu thập nhiều kênh thông tin về một sự kiện đơn lẻ—vật lý thiên văn đa sứ giả—giống như việc thêm màu sắc và âm thanh vào một bộ phim câm đen trắng và có thể mang lại hiểu biết sâu sắc hơn nhiều về các hiện tượng vật lý thiên văn.

Các nhà thiên văn mới chỉ quan sát thấy một sự kiện duy nhất trong cả sóng hấp dẫn và ánh sáng khả kiến cho đến nay—sự hợp nhất của hai ngôi sao neutron được nhìn thấy vào năm 2017. Nhưng từ sự kiện duy nhất này, các nhà vật lý đã có thể nghiên cứu sự mở rộng của vũ trụ và xác nhận nguồn gốc của một số sự kiện năng lượng nhất của vũ trụ được biết như vụ nổ tia gamma.

Với O4 chạy, các nhà thiên văn học sẽ có quyền truy cập vào các đài quan sát sóng hấp dẫn nhạy cảm nhất trong lịch sử và hy vọng sẽ thu thập được nhiều dữ liệu hơn bao giờ hết. Các đồng nghiệp của tôi và tôi hy vọng rằng những tháng tới sẽ dẫn đến một—hoặc có lẽ nhiều—các quan sát đa sứ giả sẽ vượt qua ranh giới của vật lý thiên văn hiện đại.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Tín dụng hình ảnh: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA/Scott Noble; dữ liệu mô phỏng, d'Ascoli et al. 2018

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/