LIGO jest znakomitym narzędziem do wykrywania fal grawitacyjnych. Wkrótce może stać się jeszcze lepsze.
Naprawa defektu wewnątrz jednego z najbardziej zaawansowanych obserwatoriów naukowych może wydawać się niesamowicie droga lub wymagająca nowych rewolucyjnych systemów i rozwiązań. Dla naukowców pracujących w Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), obserwujących zaburzenia czasoprzestrzeni wytwarzane przez potężne kosmiczne kolizje takie, jak zderzenia czarnych dziur, rozwiązanie uporczywego problemu inżynieryjnego okazało się być jednak proste. Zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside prowadzony przez Jonathana Richardsona opracował technikę korekcji małych zniekształceń wywołanych ciepłem na lustrach obserwatorium, które według badaczy ograniczają zasięg obserwacji urządzenia. Stało się to możliwe dzięki wykorzystaniu zarówno komercyjnie dostępnych kamer termowizyjnych, jak i modeli komputerowych.
„Nie potrzeba do tego żadnej nowej technologii, co jest niespotykane w przypadku napraw aparatury detektora LIGO”- powiedział Richardson w oświadczeniu.
Szacuje się, że wskutek nadchodzącej modernizacji LIGO jego zasięg zwiększy się o około 33 miliony lat świetlnych.
Wspomniane osiągnięcie może brzmieć jak kropla w morzu przeciwności związanych z walką z ograniczeniami obserwacji niewyobrażalnie rozległego kosmosu. Niemniej jednak wszechświat rozszerza się w trzech wymiarach, dlatego przesuwanie granic możliwości detektora choćby nieznacznie, otwiera mnóstwo nowej przestrzeni kosmicznej do zbadania. To sprawia, że astronomowie będą mogli wykryć więcej fal grawitacyjnych, co może skutkować odkryciem nowych gwałtownych kolizji, do których dzisiaj dochodzi poza zasięgiem urządzenia.
Zespół Richardsona testuje nowatorskie urządzenie adaptacyjne do modyfikacji powierzchni luster detektora głównych LIGO.
Obserwatorium LIGO wykrywa odkształcenia kosmiczne – zwane falami grawitacyjnymi – używając dwóch bliźniaczych obiektów w kształcie liter L umieszczonych w Waszyngtonie i Luizjanie. W środku każdego z detektorów wiązka lasera zostaje wystrzelona w czterokilometrowe tunele, na ich końcu odbija się w zwierciadłach. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię, delikatnie rozciąga jeden tunel, a drugi ściska. Mikroskopijna zmiana powoduje różnice w czasie dotarcia światła do fotodetektora. Zjawisko to powiadamia naukowców o potencjalnym zderzeniu w dalekim kosmosie.
Ponieważ fale grawitacyjne są niesamowicie małe, zachowanie każdego fotona jest kluczowe. W tym celu LIGO wykorzystuje lustra wypolerowane tak, aby odbijały 99,9999% wiązki lasera, co czyni je jednymi z najdoskonalszych urządzeń optycznych, jakie kiedykolwiek wybudowano. Jednak te prawie perfekcyjne lustra mają jedną znaczącą wadę – nadal absorbują niewielką ilość intensywnego światła. Energia ta zmienia się w ciepło, wykrzywiając taflę lustra o nanometry, co jest wystarczające, by zniekształcić wiązkę lasera i zmniejszyć dokładność całego sprzętu.
Fizycy byli świadomi, że mogą zniwelować te zniekształcenia, działając korygującym, ukierunkowanym ciepłem na tylną powierzchnię luster. Trudność sprawiało natomiast zmierzenie zniekształceń na tyle dokładnie, aby było ono przyłożone z jak największą precyzją.
Widok z góry obserwatorium Ligo w Hanfordzie.
„Można o tym myśleć, jak o zrobieniu zdjęcia silnika samochodowego w podczerwieni” – powiedział Richardson – „Inżynier może spojrzeć na rozkład temperatury na zewnątrz i wywnioskować co dzieje się w środku silnika. To samo robimy z lustrami LIGO”.
Ta technika pomoże nie tylko w naprawie LIGO. Przewiduje się również, że stanie się ona zasadniczą częścią projektu Cosmic Explorer – nowej generacji amerykańskiego obserwatorium fal grawitacyjnych, którego uruchomienie planowane jest na połowę lat 30. XXI wieku.
Ze swoimi czterdziestokilometrowymi ramionami, czyli 10 razy dłuższymi względem LIGO, Cosmic Explorer jest już obecnie zaprojektowany tak, aby wykrywać zdarzenia powodujące powstawanie fal grawitacyjnych daleko poza zasięgiem dotychczasowych pomiarów, a wspomniana nowa technika dodatkowo poszerzy pole widzenia obserwatorium.
„Celem detektorów fal grawitacyjnych następnej generacji jest osiągnięcie czułości około dziesięciokrotnie większej względem dzisiejszych przyrządów” – powiedział Richardson – „Jedną z przeszkód stanowi zmniejszenie szumu kwantowo-mechanicznego, który zakłóca dokładność pomiarów”.
Korekta – Amelia Staszczyk
