Kai susilieja dvi juodosios skylės, jos išskiria milžinišką energijos kiekį. Kai LIGO aptiko pirmąjį juodosios skylės susijungimą 2015 m., Mes nustatėme, kad trijų saulės masių vertės energija buvo išleista kaip gravitacinės bangos. Tačiau gravitacinės bangos stipriai nesąveikauja su medžiaga. Gravitacinių bangų poveikis yra toks mažas, kad jums reikia labai arti susijungimo, kad juos pajustų. Taigi, kaip galime stebėti juodųjų skylių susiliejimo gravitacines bangas per milijonus šviesmečių?
Tai juokingai sunku. Gravitacinės bangos yra erdvėlaikio struktūros bangavimas. Kai gravitacinė banga praeina per objektą, santykinė dalelių padėtis objekte šiek tiek pasislenka ir tik per šiuos poslinkius galime aptikti gravitacines bangas. Tačiau tas poslinkis yra menkas. LIGO matuoja poslinkį veidrodžių poromis, kurios yra 4 kilometrų atstumu. Kai stipri gravitacinė banga praeina pro LIGO, veidrodžiai pasislenka tik keliomis tūkstantosiomis protono pločio dalimis.
Schema, rodanti, kaip veikia LIGO. Autoriai: Johanas Jarnestadas / Švedijos karališkoji mokslų akademija
LIGO matuoja šį atstumą procesu, vadinamu lazerine interferometrija. Šviesa turi bangų savybių, todėl kai du šviesos pluoštai persidengia, jie susijungia kaip bangos. Jei šviesos bangos išsirikiuoja arba yra „fazėje“, tada jos susilieja ir tampa ryškesnės. Jei jie išeina iš fazės, jie išnyksta ir tampa blankesni. Taigi LIGO pradeda nuo šviesos pluošto, kuris yra fazėje, ir padalija jį, siųsdamas vieną spindulį išilgai vienos LIGO rankos, o vieną išilgai kitos. Kiekvienas spindulys atsimuša į veidrodį, esantį už 4 kilometrų, tada grįžta į vieną spindulį, kurį mato detektorius. Jei keičiasi veidrodžio atstumas, keičiasi ir kombinuotos šviesos ryškumas.
Šviesos bangos ilgis yra maždaug mikrometras, tačiau gravitacinės bangos tik perkelia veidrodžius tik trilijoną to atstumo. Taigi LIGO kiekvienas spindulys keliauja pirmyn ir atgal išilgai rankos šimtus kartų, kol jie susijungia. Tai labai padidina LIGO jautrumą, bet taip pat kelia kitų problemų.
Atnaujinami LIGO veidrodžiai. Kreditas: Caltech / MIT / LIGO Lab
Kad veiktų, LIGO veidrodžiai turi būti izoliuoti nuo bet kokių foninių vibracijų nuo žemės ir šalia esančių instrumentų. Norėdami tai pasiekti, veidrodžių matricos pakabinamos plonais stiklo siūlais. Visą sistemą taip pat reikia patalpinti į vakuumą. Detektorius yra toks jautrus, kad oro molekulės, einančios per šviesos pluoštus, yra paimamos kaip triukšmas. Oro slėgis LIGO vakuuminėje kameroje yra mažesnis nei trilijonoji atmosferos dalis, o tai yra mažesnė nei tarpgalaktinė erdvė.
Žmogaus inžinerijos ribose LIGO sistema yra izoliuota vakuuminė sistema, kurioje vienintelis dalykas, galintis perkelti veidrodžius, yra gravitacija. Jis nėra tobulas, bet labai geras. Taip gerai, kad viskas pradeda keistis. Net jei detektorius būtų puikiai izoliuotas ir patalpintas į tobulą vakuumą, detektoriai vis tiek gautų triukšmą. Sistema yra tokia jautri, kad gali užfiksuoti kvantinius svyravimus tuščioje erdvėje.
Pagrindinė kvantinių sistemų savybė yra ta, kad jos niekada negali būti visiškai prispaustos. Tai yra Heisenbergo neapibrėžtumo principo dalis. Tai galioja net vakuumui. Tai reiškia, kad vakuume atsiranda kvantiniai svyravimai. Kai šviesos fotonai keliauja per šiuos svyravimus, jie šiek tiek stumdomi. Dėl to šviesos pluoštai šiek tiek pasislenka iš fazės. Įsivaizduokite mažų laivelių parką, plaukiantį per banguotą jūrą, ir kaip sunku būtų juos išlaikyti kartu.
Iš arti LIGO kvantinio suspaudimo. Kreditas: Maggie Tse
Tačiau kvantinis neapibrėžtumas yra juokingas dalykas. Nors kvantinės sistemos aspektai visada bus neaiškūs, kai kurios jos dalys gali būti itin tikslios. Svarbiausia, kad jei vieną dalį padarysite tikslesnę, kita dalis taps ne tokia tiksli. Šviesos atveju tai reiškia, kad šviesos pluošto fazę galite išlaikyti labiau suderintą, nes šviesos ryškumas tampa neaiškus. Tai žinoma kaip išspausta šviesa, nes sumažinate vieną neapibrėžtį kitos kaina.
Animacija, rodanti suspaustą šviesos būseną. Kreditas: Wikipedia vartotojas Geek3
Ši išspausta šviesos būsena atliekama naudojant optinį parametrinį osciliatorių. Iš esmės tai yra veidrodžių rinkinys aplink ypatingą kristalą. Kai šviesa praeina per kristalą, ji sumažina fazės svyravimus. Amplitudės svyravimai didėja, tačiau LIGO detektoriams tai yra svarbiausia fazė.
Su šiuo atnaujinimu LIGO jautrumas turėtų padvigubėti. Tai padės astronomams aiškiau matyti juodųjų skylių susiliejimą. Tai taip pat leistų LIGO pamatyti naujų rūšių susijungimus. Tokių, kurie yra silpnesni ar toliau, nei mes kada nors matėme.
Šaltinis: Naujas instrumentas išplečia LIGO pasiekiamumą , MIT naujienos.