LIGO — kas tai yra: lazerinis interferometrinis gravitacinių bangų observatorija

LIGO — lazerinis interferometras, atskleidžiantis gravitacines bangas: kaip veikia observatorija, jos kūrimas, patobulinimai ir istorinis pirmasis aptikimas.

Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (LIGO) - tai didelio masto fizikos observatorija, kuri aptinka kosmines gravitacines bangas ir kurios vienas iš įkūrėjų yra škotų fizikas RonaldasDreveris. Pirmą kartą jas finansavo Nacionalinis mokslo fondas (NSF), o sumanė, pastatė ir eksploatuoja Kaltecho ir Masačusetso technologijos institutas (MIT). NSF finansavo LIGO patobulinimus, kad padidintų jautrumą, ir tai leido pirmą kartą aptikti gravitacines bangas. LIGO yra didžiausias ir ambicingiausias kada nors NSF finansuotas projektas.

LIGO yra interferometras. Jis paleidžia lazerio spindulį ir padalina jį į du lazerio spindulius. Veidrodžiai atspindi juos atgal į šviesos detektorių ir sujungia. Paprastai abu lazerio spinduliai turėtų vienas kitą panaikinti, todėl šviesa nepasiekia detektoriaus, tačiau gravitacijos bangų sukelti erdvėlaikio pokyčiai gali pakeisti lazerio spindulius taip, kad jie ne visiškai panaikinami. Kai taip atsitinka, šviesos detektorius matys dalį lazerio šviesos, kurią galima panaudoti erdvėlaikio iškraipymo dydžiui nustatyti.

Kaip LIGO veikia paprastai

LIGO naudoja Michelsono tipo interferometrą su dviem stačiakampio formos rankomis (arm) — kiekviena ranka yra 4 km ilgio. Lazerio spindulys padalijamas į du spindulius, kurie eina skirtingomis rankomis, atsimuša į itin tiksliai poliruotus veidrodžius (sąsajas) ir grįžta atgal, kur sujungiami. Jeigu abi rankos turi lygų atstumą, grįžę spinduliai interferuoja destruktyviai ir detektorius nemato šviesos. Gravitacinė banga trumpam pakeičia atstumus tarp veidrodžių (erdvėlaikį), todėl interferencijos sąlygos pakinta ir dalis šviesos pasiekia detektorių — tai yra signalas.

Techninės savybės ir jautrumas

• Arms ilgis: 4 km (du atskiri observatorijos paviljonai — Hanford (Vašingtono valstija) ir Livingston (Luiziana)).
• Dažnių diapazonas: apie 10 Hz iki kelių kHz — tai leidžia aptikti žemo dažnio įvykius, tokius kaip juodųjų skyles ir neutroninių žvaigždžių susiliejimai.
• Jautrumas: LIGO gali matyti erdvės ištempimo (strain) dydžius maždaug 10^-21 ar mažesnius — tai reiškia itin mažyčius atstumo pokyčius, kurie yra dalis protono dydžio ar dar mažesni, priklausomai nuo atstumo.
• Patobulinimai: originalų LIGO pakeitė ir pagerino projektas Advanced LIGO (aLIGO), kuris leido pasiekti reikšmingai didesnį jautrumą ir pirmąją sėkmingą detekciją. Nuo to laiko diegiamos papildomos technologijos — Fabry–Pérot rezonatoriai rankose, galios ir signalų atspindžio sistemos, kvantinė šviesos suspaudimo (squeezing) technologija ir t. t.

Istorija ir pagrindiniai atradimai

Advanced LIGO pirmą kartą užfiksavo gravitacinę bangą 2015 m. rugsėjo 14 d. (signalą pavadino GW150914). Tai buvo du besiliejančių juodųjų skylių sistema — pirmasis tiesioginis gravitacinių bangų aptikimas ir pirmasis tiesioginis juodųjų skylių susiliejimo stebėjimas. Atradimas viešai paskelbtas 2016 m. vasario 11 d. Už šį ir kitus pastebėjimus 2017 m. Nobelio fizikos premija skirta Raineriui Weissui, Barry C. Barishui ir Kipui S. Thorne’ui.

Vėlesnių pokyčių metu LIGO, kartu su Europos detectoriumi Virgo ir vėliau KAGRA, aptiko daug įvykių: keliasdešimt juodųjų skylių susiliejimų, neutroninių žvaigždžių poros susiliejimą (GW170817) ir galimus neutronų žvaigždės–juodosios skylės susiliejimus. GW170817 ypač svarbus — jis buvo pirmasis gravitačinių bangų įvykis su aiškiais elektromagnetiniais signalais (galingas gama spindulių pliūpsnis ir kilonovos švytėjimas), kas leido pradėti daugia-kanalį (multimessenger) astronomijos etapą ir nepriklausomai nustatyti kosminį atstumo mastelį (Hubble konstantos matrica).

Duomenų analizė ir signalų atpažinimas

Gravitacinių bangų signalai dažnai yra labai silpni ir užslėpti triukšme, todėl LIGO naudojami sudėtingi duomenų apdorojimo metodai: matcingo filtravimo (matched filtering) su šablonų bankais (templates), statistinė analizė, trikčių atskyrimas ir parametrų įvertinimas (parameter estimation) Bayes metodu. Šiuos metodus taiko didelės tarptautinės komandos, kurios kuria ir prižiūri programinę įrangą bei vertina signalo tikrumą.

Triukšmo šaltiniai ir sprendimai

• Seizminis triukšmas: žemės vibracijos (eismas, vėjas, žemės drebėjimai) — sprendžiama naudojant sudėtingas izoliacijos sistemas ir renkant daugiau duomenų apie foną.
• Terminis triukšmas: veidrodžių ir laikiklių šiluminiai svyravimai — naudojamos itin tiksliai apdirbtos konstrukcijos ir žemo šiluminio triukšmo medžiagos.
• Optinis ir kvantinis triukšmas: lazerio šviesos kvantinės savybės (shot noise) ir spinduliuotės slėgio triukšmas — mažinami didinant lazerio galią, naudojant rezonatorius ir kvantinio šviesos suspaudimo metodus.

Bendradarbiavimas ir ateities perspektyvos

LIGO veikia kaip didelė tarptautinė bendruomenė, glaudžiai bendradarbiaujanti su Virgo, KAGRA ir planuojamu LIGO-India. Kartu šie tinklai leidžia tiksliau lokalizuoti šaltinius danguje ir pagerina signalo aptikimo sandarumą. Ateities projektai, tokie kaip Cosmic Explorer ir Europos Einstein Telescope, siekia dar labiau pagerinti jautrumą ir pasiekti dar giliau į Visatą.

Ką tai reiškia mokslo ir visuomenės požiūriu

LIGO atvėrė naują astronomijos sritį — gravitacinę astronomiją. Ji leidžia tirti tokias reiškinių sritis, kurių nebūtų įmanoma gauti tik elektromagnetinių bangų dėka: juodųjų skylių pobūdį, neutroninių žvaigždžių vidinę fiziką, gravitacijos savybes ekstremaliose sąlygose ir Visatos evoliuciją. Be fundamentinių mokslo atradimų, LIGO technologijos inspiruoja pažangą lazerių, vakuumo, izoliacijos ir duomenų analizės srityse.

Trumpai: LIGO — tai milžiniškas, itin tikslus lazerinis interferometras, leidžiantis mums „išklausyti“ Visatą per erdvėlaikio virpesius. Jo atradimai pakeitė astronomiją ir atvėrė kelią tolimesnėms žinių riboms apie gravitaciją ir kosmoso eksotinius objektus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (LIGO)?

K: Kas finansavo pradinį LIGO projektą?

K: Kaip patobulinus LIGO padidėjo jo jautrumas?

K: Kas yra interferometras?

Klausimas: Kaip erdvėlaikio pokyčiai veikia lazerio spindulius interferometre?

K.: Koks buvo ambicingiausias NSF finansuojamas projektas, kurį kada nors vykdė LIGO?

Paieška pagal raidę