COLUMBUS, Ohio - Detektor fal grawitacyjnych o długości 2,5 km nie jest fajny. Wiesz co jest fajne? Detektor fal grawitacyjnych o długości 25 mil.
Taki jest wynik serii rozmów wygłoszonych tutaj w sobotę (14 kwietnia) podczas kwietniowego spotkania American Physical Society. Następna generacja detektorów fal grawitacyjnych zajrzy do zewnętrznej krawędzi obserwowalnego wszechświata, szukając zmarszczek w samej strukturze czasoprzestrzeni, co, jak przewidywał Einstein, nastąpi w przypadku zderzenia masywnych obiektów, takich jak czarne dziury. Jednak prelegenci powiedzieli publiczności, że wciąż stoją przed nimi poważne wyzwania.
„Obecne detektory, które mogą się wydawać, są bardzo wrażliwe” - powiedział publiczności Matthew Evans, fizyk z MIT. „I to prawda, ale są też najmniej czułymi detektorami, za pomocą których można wykryć fale grawitacyjne”.
Oczywiście, detektory prądu nie mają na co kichać. Kiedy 2,5-kilometrowy (4 kilometry) interferometr laserowy Obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) po raz pierwszy wykrył wzrost i kurczenie się czasoprzestrzeni w 2015 r. - echo grawitacyjne zderzenia dwóch miliardów czarnych dziur o 1,3 miliarda lat - udowodnił istnienie ogromnych, niewidzialnych fal grawitacyjnych, które kiedyś były całkowicie teoretyczne i doprowadziły w ciągu zaledwie dwóch lat do nagrody Nobla dla twórców LIGO.
Mówi jednak, że LIGO i jego kuzyn, włoski instrument Virgo o długości 1,9 mili (3 km) jest zasadniczo ograniczony. Oba detektory naprawdę są w stanie wykryć fale grawitacyjne z obiektów znajdujących się stosunkowo blisko Ziemi w skali całego wszechświata, powiedział fizyk z MIT Salvatore Vitale. Są również ograniczone rodzajami obiektów, które mogą wykryć.
Do tej pory tak naprawdę były tylko dwa główne wyniki obecnej generacji interferometrów: wykrycie połączenia czarnej dziury w 2015 r. I wykrycie zderzenia dwóch gwiazd neutronowych w sierpniu 2017 r. (Również gorący temat na konferencji). Wykryto jeszcze kilka kolizji czarnych dziur, ale nie zapewniły one zbyt wielu oszałamiających wyników poza pierwszym wykryciem.
Zbuduj skalowane, bardziej precyzyjne LIGO i Virgos lub inny rodzaj detektora na dużą skalę zwanego „teleskopem Einsteina”, powiedział Evans, a wskaźnik wykrywalności fal może skakać z jednego co kilka miesięcy do ponad 1 miliona rocznie .
„Kiedy mówię, że te detektory doprowadzają nas do krawędzi wszechświata, mam na myśli, że mogą wykryć prawie każdy układ podwójny, który się łączy”, powiedział, odnosząc się do par gwiazd, czarnych dziur i gwiazd neutronowych, które się zderzają.
Oznacza to możliwość wykrywania czarnych dziur od bardzo wczesnych lat wszechświata, zgłębiania głębokich tajemnic grawitacji, a nawet potencjalnego wykrywania, po raz pierwszy, fal grawitacyjnych gwiazdy przechodzącej supernową i zapadającej się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę .
Większe jest lepsze
Dlaczego więc większe detektory prowadzą do bardziej czułych poszukiwań fal grawitacyjnych? Aby to zrozumieć, musisz zrozumieć, jak działają te detektory.
LIGO i Panna, jak donosi Live Science, są w zasadzie gigantycznymi władcami w kształcie litery L. Dwa tunele rozgałęziają się pod kątem prostym względem siebie, wykorzystując lasery do wykonywania bardzo dokładnych pomiarów długości tuneli z momentu na moment. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, poruszając samą przestrzenią, ta długość zmienia się nieznacznie. To, co kiedyś było milą, staje się, krótko, nieco mniej niż milą. A laser, przemieszczający się na tej krótszej odległości nieco szybciej, pokazuje, że nastąpiła zmiana.
Ale jest limit tego, jak dokładny może być ten pomiar. Większość fal faluje laser zbyt nieznacznie, aby interferometry mogły to zauważyć. Udoskonalenie technologii wykrywania w istniejących tunelach LIGO i Virgo może nieco poprawić sytuację, powiedział Evans, i są plany, aby to zrobić. Ale, aby naprawdę wzmocnić sygnał, powiedział, jedyną opcją jest pójść znacznie dalej.
Detektor w kształcie litery L z ramionami o długości 24,86 mili (40 km), 10 razy większy niż LIGO, to kolejny krok, powiedział Evans. Nazwał tę propozycję „kosmicznym odkrywcą”. Powiedziałby, że byłoby wystarczająco duże, aby wykryć prawie wszystko, co wykrywacz fal grawitacyjnych mógłby wykryć, ale nie tak duże, że podstawowa fizyka zaczyna się rozpadać lub koszty stają się niewiarygodnie wysokie, nawet w przypadku tego rodzaju niezwykle kosztownej nauki projekt. (Ostateczny koszt LIGO wyniósł setki milionów dolarów.)
Dlaczego więc wykrywacz tej wielkości zamiast dwa lub 10 razy większy?
W pewnym punkcie, o długości około 24,86 mil (40 km), powiedział Evans, światło tak długo przesuwa się z jednego końca tunelu na drugi, że eksperyment może stać się niewyraźny, dzięki czemu wyniki są mniej precyzyjne niż bardziej.
Koszty są co najmniej tak samo trudne. LIGO i Panna są na tyle małe, że krzywizna Ziemi nie była znaczącym wyzwaniem konstrukcyjnym, powiedział Evans. Ale przy wysokości 24,86 mil (40 km) na ramię, umieszczenie końców każdego tunelu na poziomie gruntu oznacza, że środki tuneli muszą znajdować się 30 metrów pod ziemią (przy założeniu, że ziemia jest idealnie równa).
„Ponad 40 kilometrów”, powiedział Evans, „odległość transportu ciężarówek zaczyna przejmować koszty”.
Istnieje również podstawowy problem znalezienia płaskiej pustej przestrzeni wystarczająco dużej, aby zbudować tak duży detektor. Evans powiedział, że w zasadzie nigdzie w Europie nie ma wystarczająco dużych miejsc, a w USA opcje są ograniczone do regionu Wielkiego Jeziora Słonego w Utah i pustyni Black Rock w Nevadzie.
Te wyzwania kosmiczne napędzają alternatywny projekt masywnego detektora fal grawitacyjnych, zwany teleskopem Einsteina. Chociaż kształt L jest najlepszym sposobem pomiaru fali grawitacyjnej, Evans powiedział, że trójkąt z trzema tunelami i wieloma detektorami może wykonać równie dobrą robotę, zajmując znacznie mniejszą przestrzeń, idealną do ograniczeń geograficznych Europy.
Vitale powiedział, że detektory te są jeszcze od 15 do 20 lat od ukończenia, a cała technologia niezbędna do ich budowy nie została jeszcze wynaleziona. Mimo to on i Evans powiedzieli zebranym naukowcom, że „nadszedł czas”, aby zacząć nad nimi pracować. Vitale powiedział już, że osiem grup roboczych przygotowuje raport na temat naukowego uzasadnienia tak masywnych urządzeń, który ma się ukazać w grudniu 2018 r.
Jeden z członków publiczności zapytał Evansa, czy sensownym jest zbudowanie, powiedzmy, 5-kilometrowego detektora (8 km), podczas gdy prawdziwy Kosmiczny Odkrywca lub pełnoskalowy Teleskop Einsteina pozostaje jeszcze ponad dekadę.
Gdyby był członkiem komitetu finansującego, nie zaakceptowałby takiego projektu, ponieważ wyniki naukowe z podwojenia wielkości LIGO po prostu nie są tak duże, powiedział Evans. Dodał, że jedynie przy górnej granicy wielkości tunelu koszty takiego projektu byłyby uzasadnione.
„O ile nie wiedziałem, że z jakiegoś powodu, po prostu nie warto” - powiedział.
Jednak Vitale powiedział, że nie oznacza to, że naukowcy muszą czekać 15 do 20 lat na następną dużą fazę wyników fali grawitacyjnej. Wraz z pojawieniem się coraz większej liczby detektorów w obecnej skali, w tym detektora fal grawitacyjnych Kamioka wielkości Japonii (KAGRA) w Japonii oraz LIGO-Indii wielkości LIGO, a wraz z poprawą istniejących detektorów naukowcy będą mieli możliwość pomiaru poszczególnych fal grawitacyjnych z większej liczby kątów jednocześnie, umożliwiając więcej detekcji i bardziej szczegółowe wnioski na temat tego, skąd pochodzą.
