LIVINGSTON, La. - Około półtorej mili od budynku tak dużego, że można go zobaczyć z kosmosu, każdy samochód na drodze zwalnia do pełzania. Kierowcy wiedzą, że bardzo poważnie podchodzą do ograniczenia prędkości do 10 km / h (16 km / h): ponieważ w budynku znajduje się ogromny detektor, który poluje na wibracje niebieskie w najmniejszej skali, jaką kiedykolwiek próbował. Nic dziwnego, że jest wrażliwy na wszystkie ziemskie wibracje wokół niego, od dudnienia przejeżdżającego samochodu po klęski żywiołowe po drugiej stronie globu.
W rezultacie naukowcy pracujący w jednym z detektorów LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) muszą dołożyć wszelkich starań, aby wytropić i usunąć wszystkie potencjalne źródła hałasu - spowalniając ruch wokół detektora, monitorując każdy najmniejszy drżenie w grunt, nawet zawieszając sprzęt z poczwórnego systemu wahadła, który minimalizuje wibracje - wszystko po to, aby stworzyć najbardziej „cichy” punkt wibracyjny na Ziemi.
„Wszystko dotyczy polowania na hałas”, powiedziała Janeen Romie, szef grupy detektorów w detektorze LIGO w Luizjanie.
Dlaczego fizycy LIGO mają taką obsesję na punkcie eliminowania hałasu i tworzenia najbardziej pozbawionego wibracji miejsca na planecie? Aby to zrozumieć, musisz wiedzieć, czym są fale grawitacyjne i jak LIGO je wykrywa. Zgodnie z ogólną teorią względności, przestrzeń i czas są częścią tego samego kontinuum, które Einstein nazwał czasoprzestrzenią. A w czasoprzestrzeni, gwałtownie przyspieszające się masywne obiekty mogą wytwarzać fale grawitacyjne, które wyglądają jak fale, które promieniują na zewnątrz, gdy kamyk spadnie na powierzchnię stawu, które ujawniają rozciąganie i kurczenie się materiału kosmosu.
Jak mierzysz zmiany w samej czasoprzestrzeni, kiedy jakiekolwiek urządzenie pomiarowe doświadczyłoby tych samych zmian? Genialnym rozwiązaniem jest tak zwany interferometr. Opiera się na fakcie, że fale grawitacyjne rozciągają czasoprzestrzeń wzdłuż jednego kierunku, jednocześnie kurcząc się wzdłuż kierunku prostopadłego. Pomyśl o boi na wodzie: gdy fala mija, faluje w górę i w dół. W przypadku fali grawitacyjnej, promieniującej przez Ziemię, wszystko oscyluje nieznacznie tam iz powrotem, zamiast w górę i w dół.
Detektor LIGO składa się z laserowego źródła światła, dzielnika wiązki, kilku luster i detektora światła. Światło opuszcza laser, dzieli się na dwie prostopadłe wiązki przez rozdzielacz wiązki, a następnie podróżuje w równych odległościach w dół ramion interferometru do dwóch luster, gdzie światło odbija się z powrotem w dół ramion. Obie wiązki następnie trafiają w detektor, który jest umieszczony naprzeciwko jednego z luster odbijających. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez interferometr, powoduje to, że jedno z ramion jest nieco dłuższe, a drugie nieco krótsze, ponieważ rozciąga przestrzeń wzdłuż jednego kierunku, jednocześnie ściskając go wzdłuż drugiego. Ta nieskończenie mała zmiana rejestruje wzór światła uderzającego w światło detektor. Poziom czułości LIGO jest równoważny „mierzeniu odległości do najbliższej gwiazdy (około 4,2 lat świetlnych) z dokładnością mniejszą niż szerokość ludzkich włosów”, zgodnie ze stroną internetową LIGO.
Aby móc wykryć falę szerokości włosów, naukowcy robią wszystko, co w ich mocy, aby wyeliminować wszelkie potencjalne zakłócenia tego precyzyjnie dostrojonego układu, powiedział Carl Blair, doktorant w LIGO, który bada opomechanikę lub interakcję światła z układami mechanicznymi.
Na początek ramiona o długości 2,5 mili (4 kilometry) znajdują się w jednej z najdoskonalszych próżni na świecie, co oznacza, że są prawie wolne od cząsteczek, więc nic nie może zakłócać ścieżki wiązki. Detektory są również otoczone różnego rodzaju urządzeniami (np. Sejsmometrami, magnetometrami, mikrofonami i detektorami promieniowania gamma), które mierzą zakłócenia danych i usuwają je.
Blair powiedział, że wszystko, co mogłoby zakłócać lub być błędnie interpretowane jako sygnał fali grawitacyjnej, musi zostać wytropione i wyeliminowane. Obejmuje to niedoskonałości samego detektora - tak zwany hałas - lub zaburzenia nie-astrofizyczne wychwytywane przez instrument - tak zwane usterki. Fizycy muszą nawet uwzględnić wibracje atomów, które tworzą lustro detektora, oraz przypadkowe fluktuacje prądu w elektronice. Na większą skalę usterki mogą być wszystkim, od przejeżdżającego pociągu towarowego po spragnionego kruka.
A usterki mogą być bardzo trudne do ustalenia. Kiedy Arnaud Pele dołączył do zespołu inżynieryjnego detektorów w LIGO, miał za zadanie dowiedzieć się, skąd pochodzi szczególnie nieznośne zaburzenie: przyrządy, które mierzyły ruch ziemi wokół detektorów fali grawitacyjnej, rejestrowały stały skok i nikt nie wiedziałem dlaczego. Po kilku miesiącach upartego wymykania się znalazł winowajcę: niepozorną skałę osadzoną między ziemią a niektórymi mechanicznymi źródłami pod systemem wentylacyjnym. Z powodu skały sprężyny nie mogły zapobiec pojawieniu się wibracji respiratora w detektorze, powodując tajemniczy sygnał. „To naprawdę fajna część mojej pracy, robić te detektywa” - powiedziała Pele. „W większości przypadków są to proste rozwiązania”. W poszukiwaniu nieskończenie małych wibracji z dalekich zakątków wszechświata, prawdziwa praca może spoczywać bardzo na Ziemi.
Najważniejsze, być może, są trzy detektory: oprócz jednego w Luizjanie jest jeden w Hanford w Waszyngtonie i trzeci we Włoszech: „Jeśli coś jest prawdziwe, musi wyglądać tak samo we wszystkich detektorach”, powiedział członek współpracy LIGO Salvatore Vitale, adiunkt fizyki w MIT. Jeśli jest to pociąg towarowy lub kamień zawieszony pod sprężyną, pojawi się tylko w jednym z trzech detektorów.
Dzięki tym wszystkim narzędziom i niektórym bardzo wyrafinowanym algorytmom naukowcy są w stanie oszacować prawdopodobieństwo, że sygnał jest rzeczywiście falą grawitacyjną. Mogą nawet obliczyć częstość fałszywych alarmów dla danego wykrycia lub możliwość, że dokładny sygnał pojawi się przypadkowo. Na przykład jedno z wydarzeń tego lata miało wskaźnik fałszywych alarmów mniej niż raz na 200 000 lat, co czyni go niezwykle przekonującym kandydatem. Ale będziemy musieli poczekać na ostateczny wyrok.
Raportowanie tego artykułu było częściowo wspierane przez grant z National Science Foundation.
