Pozytywne wibracje: jak złapać falę grawitacyjną Understand article

Tłumaczenie: Anna Pancerz. Fale grawitacyjne są jednymi z najbardziej subtelnych wysłanników, którzy docierają do nas z kosmosu. Ale jak wykryć ich nieskończenie małe skutki?

Wyobrażenie artysty
przedstawiające dwie czarne
dziury, które poruszają się
ruchem spiralnym do siebie,
po czym łączą się,
wypuszczając fale
grawitacyjne.

Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA
/ C Carreau

W 2015 r. po raz pierwszy wykryto nikłe sygnały fal grawitacyjnych docierające do Ziemi przez kosmos. Tak jak przewidział to 100 lat temu Albert Einstein, pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych było zwieńczeniem lat pracy eksperymentalnej i teoretycznej, oraz stanowiło początek nowej, ekscytującej ery w kosmologii.

A więc, czym są fale grawitacyjne i dlaczego ich wykrycie stanowi takie wyzwanie? Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni, które powstają w wyniku przyśpieszenia masy. Są grawitacyjnymi odpowiednikami fali elektromagnetycznych i tak jak one, przemieszczają się z prędkością światła.

Te ulotne sygnały są tak trudne do wykrycia, ponieważ ich oddziaływanie jest bardzo, bardzo małe: jest to tylko drobne zniekształcenie w czasoprzestrzeni, nawet gdy produkowane są przez coś tak dużego jak zderzenie dwóch (oddalonych od siebie) czarnych dziur, tak jak miało miejsce w przypadku ich wykrycia w 2015 r. Takie zniekształcenie oznacza, że odległość między dwoma punktami na Ziemi może być rozciągnięta lub ściśnięta przez bardzo małą cząsteczkę podczas przemieszczania się fali grawitacyjnej. Mówiąc o „małej” cząsteczce mamy na myśli część 1/10-21, co w przybliżeniu jest średnicą atomu w porównaniu do odległości między Ziemią a Słońcem: z pewnością trudno ją zmierzyć!

Od wczesnych lat 60., fizycy, inżynierowie i technicy na całym świecie stawiają czoła temu wyzwaniu, co skutkuje wynalezieniem kilku urządzeń służących wykrywaniu fal grawitacyjnych, w tym LIGO w1, Virgo w2 i GEO600 w3. W tym artykule skupimy się na urządzeniu Virgo (które znajduje się we Włoszech), ale zawarte koncepcje są stosowane również w innych urządzeniach – wszystkie są częścią międzynarodowej sieci, która ma dużą większą siłę niż pojedynczy detektor. Tak naprawdę, analiza danych z 2015 r. zawierających pierwsze wykrycia była przeprowadzona wspólnie przez naukowców z LIGO i Virgo.

Mierzenie za pomocą światła

Projekt Virgo opiera się na urządzeniu o nazwie inferometr Michelsona, który ma znamienity rodowód: pierwszy raz został użyty w 1887 r. przez fizyków Alberta Michelsona i Edwarda Morley’a w czasie słynnego eksperymentu, którego celem było znalezienie wariacji w prędkości światła, wywołanych przez hipotetyczny eter (rysunek 1).
 

Rysunek 1: Interferometr Michelsona – podstawowy projekt detektora Virgo. 1: Źródło światła; 2: rozdzielacz wiązki; 3: wiązki pod kątem prostym; 4: zwierciadła, które służą do odbicia wiązki z powrotem na tą samą drogę; 5: powracające wiązki mieszające się ponownie w rozdzielaczu; 6: detektor
Zdjęcie dzięki uprzejmości LIGO / T Pyle
 

W tym miejscu światło z pojedynczego źródła rozdzielane jest na dwa promienie, które przemieszczają się wzdłuż pionowych ścieżek (lub „ramion”), a potem odbijają się w zwierciadłach, po czym łączą się na nowo. Jeśli zajdzie zmiana w długości ścieżki promienia (spowodowana na przykład przez falę grawitacyjną), spowoduje to delikatną zmianę czasu podróży promienia i w efekcie również zmianę fazy bliskiego promienia. Zmiana fazy ma wpływ na to jak dwa promienie będą ze sobą oddziaływać, gdy ponownie się spotkają, co z kolei ma wpływ na moc mierzoną przez detektor.

Ale nawet gdy połączy się klasyczny projekt i nowoczesną technologię, w procesie wykrycia fal grawitacyjnych wciąż pozostaje wiele wyzwań.

Virgo: pokonując wyzwania

W urządzeniu Virgo, podstawowy projekt interferometru Michelson’a został znacznie rozbudowany i powiększony, ponieważ potrzeba było dużej stabilności i precyzji.

Długie ramiona

Oba ramiona Virgo mają po 3 km długości. Taki rozmiar jest potrzebny, ponieważ bardzo małe zmiany czasu podróży promieni, spowodowane falą grawitacyjną, wzrastają wraz z długością ramienia. Długość ponad 3 km nie jest zbyt efektywna, między innymi dlatego, że wtedy przy budowie idealnie prostych ramion trzeba byłoby wziąć pod uwagę krzywiznę Ziemi.

Aby zapobiec interakcjom między fotonami i molekułami promieni, wnętrze ramion jest opróżniane do około jednej tysięcznej biliona (10-12) ciśnienia atmosferycznego, podobne do ciśnienia w kosmosie na wysokości Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Sprawia to, że przewody Virgo są największą próżnią w Europie (zobacz rysunek 2). Na końcu każdego ramienia ściany są schładzane ciekłym azotem do temperatury kriogenicznej w celu złapania szczątkowych molekuł (np. wody).
 

Rysunek 2: Wnętrze jednego z tuneli w ramieniu Virgo
Zdjęcie dzięki uprzejmości Cyril Fresillon/ Virgo / CNRS Photothèque

Zwierciadła, zwierciadła

Zwierciadła Virgo są kluczowym elementem detektora. Wykonane są z niezwykłą precyzją: ich powierzchnia jest polerowana i idealnie płaska (do jednego nanometra), a specjalna powłoka optymalizuje odbijanie i transmitowanie światła, co sprawia, że straty z wiązek są minimalne (pojedyncze przypadki na milion wiązek). Ustawienie zwierciadeł jest znacznie bardziej skomplikowane niż w prostym interferometrze Michelsona, zwierciadła używane są do tego, aby uformować dodatkowe „optyczne wgłębienia”, przez które przemieszczają się lub aby „oczyszczać” wiązki laserowe (zobacz rysunek 3).

Zwierciadła Virgo używane są również do tego, aby optycznie wydłużyć drogę przemieszczania się wiązek: urządzenie o nazwie Fabry-Perot zainstalowane w każdym z ramion wydłuża drogę o współczynnik 300, zwiększając czas przemieszczania się wiązek – a przez to czułość całego detektora – o podobny współczynnik.

Rysunek 3: Optyczny schemat detektora Virgo (bardziej złożonej wersji interferometra Michelsona), pokazuje główne element i drogi przemieszczania wiązek. 1: źródło światła; 2: zwierciadło powtórnego użycia mocy; 3: rozdzielacz wiązki; 4: wgłębienia optyczne Fabry-Perot w otworach próżniowych; 5. północne zwierciadło początkowe; 6. północne zwierciadło końcowe; 7. zachodnie zwierciadło początkowe; 8. Zachodnie zwierciadło końcowe; 9. Detektor
Zdjęcie dzięki uprzejmości The Virgo Collaboration

Izolacja wibracji

Virgo musi być czułe na najmniejsze zmiany w długości drogi wiązek spowodowane falami grawitacyjnymi, więc musi być odizolowane od innych zakłóceń w środowisku – działalności człowieka, wiatru, burz, itp. Projekt detektora ma na celu chronienie go przed takimi zakłóceniami, ale jednym z największych problemów jest to, że zwierciadła (które odbijają wiązki laserowe) są przymocowane do ziemi, która cały czas się porusza – zbyt słabo, abyśmy to poczuli, ale dużo bardziej niż zmiany spowodowane falami grawitacyjnymi.

Oznacza to, że zwierciadła muszą być odizolowane od powierzchni ziemi – co Virgo osiąga przez zawieszenia obu zwierciadeł na końcu łańcucha wahadła zwanego „super-tłumika”, co sprawia, że tak zawieszone obiekty są jednymi z najbardziej nieruchomych obiektów na Ziemi. Ale jak zawieszenie przedmioty izoluje go od wibracji?

Każde wahadło ma swoją naturalną lub „rezonansową” częstotliwość, na której zacznie się kołysać, gdy tylko delikatnie zostanie wprawione w ruch. Jeśli wprawimy w ruch górną część wahadła na częstotliwości niższej niż częstotliwość rezonansu, poruszy się koniec wahadła. Ale gdy częstotliwość jest wyższa niż rezonans, niższy koniec będzie prawie nieruchomy. W detektorze Virgo, częstotliwość rezonansu wahadeł wspierających zwierciadła są tak niskie jak tylko to możliwe (kilka herców). Oznacza to, że ruchy na wyższych częstotliwościach praktycznie na niego nie wpływają, co pozwala wykrywać fale grawitacyjne na bardzo niskich częstotliwościach.

Rysunek 4.: “Super-tłumik” detektora Virgo: kaskada wahadeł do stabilizacji zwierciadła.
1: przewód wahadła; 2: łańcuch wahadła; 3: zwierciadło

Zdjęcie dzięki uprzejmości Virgo Collaboration

Zachować precyzję

Aby pozostać czułym na fale grawitacyjne, kiedy się pojawią, Virgo musi być ciągle precyzyjnie kontrolowane. Na przykład, wiązka laserowa (laser podczerwieni o długości fali 1064 nm) musi być bardzo stabilna, aby utrzymać stały poziom mocy w detektorze. Częstotliwość lasera również musi być ustabilizowana, aby była dokładna do 1/1014 .

Sondy położne na całej długości aparatów Virgo stale monitorują jego status i kontrolują długości wnęk rezonansowych na poziomie femtometra (10-15 m), a przesunięcie warstw kątów zwierciadła powinno mieścić się w granicy kilku nanoradianów (mniej niż jedna milionowa stopnia). Co więcej, tysiące sond stale monitoruje środowisko i status Virgo, zapewniając dane, które można szybko sprawdzić w przypadku podejrzenia wykrycia fali grawitacyjnej.

Dowiedz się więcej

Pozostaje jeszcze wiele pytań dotyczących eksperymentu Virgo – na przykład, jak analizuje się dane, aby sprawdzić czy naprawdę wykryto falę grawitacyjną? Jeśli chciałbyś dowiedzieć się więcej, zachęcamy do odwiedzenia naszej strony w2 lub sięgnięcia po artykuł zamieszczony w Science in School, który opisuje jak wykryto po raz pierwszy fale grawitacyjne (Kwon, 2017) i jakie odkrycia przyniosła astrofizyce ta nowa zdolność.

Podziękowania

Autor pragnie podziękować Danowi Hoak (Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne) za pomoc w przygotowaniu tego artykułu.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Nicolas Arnaud jest fizykiem zatrudnionym w Francuskim Narodowym Centru Badań Naukowych (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS). Po zdobyciu tytułu doktora zajmując się eksperymentem Virgo w czasie jego tworzenia, przez dekadę badał fizykę cząstek elementarnych by w 2014 r. powrócić do Virgo. Od września 2016 pracował w Europejskim Obserwatorium Grawitacyjnym we Włoszech nad detektorem Virgo. Był zaangażowany w działalność edukacyjną i promocyjną od roku 2003 i koordynuje niektóre z tych działań w skali kraju.


Review

Artykuł opisuje role detektora fal grawitacyjnych – wielkiego, ale bardzo czułego urządzenia, które może zainteresować uczniów. Autor, który jest naukowcem zajmującym się falami grawitacyjnymi w sposób zrozumiały opisał szczegóły działania tej maszyny i problemy, z którymi trzeba było się zmierzyć w celu zapewnienia wysokiej czułości.

Proponowane pytania po przeczytaniu tekstu:

  • Czym są fale grawitacyjne?
  • Dlaczego tak trudno je wykryć?
  • Jak działają detektory fal grawitacyjnych?
  • Detektory fal grawitacyjnych są bardzo czułe. Dlaczego te urządzenia są takich dużych rozmiarów?
  • Budowanie detektorów fal grawitacyjnych stanowi prawdziwe wyzwanie. Opisz najważniejsze trudności i jak można je rozwiązać.

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Austria




License

CC-BY