Słuchanie niebios: odkrycie fal grawitacyjnych dowiodło racji Einsteina

we współpracy z NAZWA

Wydarzenie było doniosłe — a oświadczenie, które zapowiadało je światu, było odpowiednio podekscytowane, a jednocześnie oszczędne i rzeczowe: Panie i panowie, my… wykryliśmy… fale grawitacyjne! Zrobiliśmy to!

Tymi słowami David Reitze, dyrektor wykonawczy Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ujawnił odkrycie w pokoju wypełnionym dziennikarzami w National Press Club w Waszyngtonie, DC, 11 lutego 2016 r. (Rzeczywiste wykrycie nastąpiło 14 września 2015 r.)

Odkrycie dostarczyło pierwszych dowodów na poparcie wiary Alberta Einsteina w istnienie fal grawitacyjnych, która była częścią jego ogólnej teorii względności. Nowa dziedzina badań naukowych, zwana astronomią fal grawitacyjnych, napędzała to znaczące osiągnięcie w LIGO – dzięki zastosowaniu urządzenia laserowego zwanego interferometrem, które zawiera precyzyjne czujniki, wzmacniacze operacyjne i inne produkty firmy Analog Devices, Inc. (ADI).

Źródłem fali grawitacyjnej było zderzenie dwóch czarnych dziur w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi, które wytworzyło moc fali grawitacyjnej 10 razy większą niż łączna energia promieniowana wszystkich gwiazd we wszechświecie.

Znaleźli fale [grawitacyjne] Einsteina 100 lat później i stało się to właśnie tutaj, a oto maszyna, która to zrobiła, zachwyca się David Kress, dyrektor marketingu technicznego w ADI i absolwent MIT. Nie ma nic lepszego – i wiem, że są w tym nasze części.

Słuchanie Wszechświata

LIGO składa się z dwóch obserwatoriów i obiektów — jednego w Hanford w stanie Waszyngton, drugiego w Livingston w stanie Luizjana — z których oba rozpoczęły działalność w 2002 roku. Narodowa Fundacja Nauki (NSF) sfinansowała ten zakrojony na szeroką skalę projekt fizyczny, a obiekty te zostały następnie stworzone, zbudowane i obsługiwane przez Caltech i MIT. Bliźniacze obserwatoria, które do tej pory należą do największych i najbardziej ambitnych projektów finansowanych przez NSF, zostały zaprojektowane do obserwacji astrofizycznych fal grawitacyjnych, których w rzeczywistości nie można zobaczyć. Jedynym sposobem na wykrycie istnienia fal grawitacyjnych jest słuchanie nieba.

Każda placówka LIGO umieszcza laser w ultrawysokiej próżni, dzieli go na dwie części i wysyła każdą wiązkę w dół jednego z dwóch 2,5-milowych ramion ustawionych prostopadle do siebie. Wiązki laserowe są następnie odbijane z powrotem od luster umieszczonych na końcach ramion.

Interferometry to narzędzia badawcze rutynowo stosowane w nauce i inżynierii. Działają, łącząc dwa lub więcej źródeł światła, aby stworzyć wzór interferencji, który można zmierzyć i przeanalizować. Interferometry LIGO są przeznaczone do wykrywania pomiarów zbyt małych, aby można je było uzyskać innymi metodami.

Kiedy fala grawitacyjna przechodzi, zmienia czas w otaczającym obszarze, powodując niewielki ruch ramion względem siebie, rzędu 1/1000 szerokości protonu. Zmienia to względne fazy zwróconego światła, gdy urządzenia otrzymają dane, uwalniając światło do czujnika optycznego, co skutkuje mierzalnym sygnałem lub ćwierkaniem.

Kiedy myślisz o tradycyjnym obserwatorium, otrzymujesz w umyśle obraz kogoś zerkającego przez wizjer, patrzącego w przestrzeń przez teleskop zaprojektowany do odbioru światła, mówi Rich Abbott, główny projektant obwodów analogowych w LIGO. Tym, co robi LIGO — i co czyni go wyjątkowym — jest to, że mierzy fale grawitacyjne, które nie pojawiają się jak światło. Aby opisać wyjątkową czułość interferometru LIGO, porównuje go z wagą: Gdybyś mógł zdjąć cały piasek ze wszystkich naszych plaż na Ziemi i ułożyć go na wadze, detektor LIGO jest wystarczająco czuły, aby wykryć usuwanie mniej niż ziarnko piasku.

Wysoka wydajność: LIGO i technologia ADI

LIGO wykorzystuje wiele technologii układów scalonych firmy ADI. Interferometry LIGO działają na zasadzie przewidywania i kompensacji wszystkich możliwych źródeł hałasu i wibracji otoczenia. Oznacza to, że moc wyjściowa lasera używana przez interferometr musi pozostać ultrastabilna, z bardzo niewielkimi wahaniami częstotliwości i amplitudy.

Z tego powodu zespół LIGO potrzebował systemu sprzężenia zwrotnego, aby odpowiednio mierzyć strumień świetlny przy jednoczesnym kontrolowaniu amplitudy. Wymagało to bardzo cichego wzmacniacza o wysokiej wydajności. Zespół LIGO wybrał wzmacniacz operacyjny AD797 (lub wzmacniacz operacyjny) firmy ADI ze względu na jego bardzo niski poziom szumów i niskie zniekształcenia. Wzmacniacz operacyjny AD797 jest również używany między innymi w aplikacjach obrazowania w podczerwieni i sonarze. W technologii LIGO wykorzystywane są również inne produkty ADI:

• Precyzyjny czujnik temperatury AD590 firmy ADI stabilizuje częstotliwość lasera i mierzy średnią temperaturę szklanej komory próżniowej, w której znajduje się laser.
• Moc wyjściowa lasera może szybko narastać do kilowatów we wnękach rezonansowych ramion, zniekształcając pomiary. LIGO wykorzystuje wysokonapięciowy wzmacniacz operacyjny ADA4700 do napędzania siłowników elektrostatycznych w celu utrzymania lusterek w linii.
• Solenoidy napędzają system zawieszenia lustrzanego LIGO. W tym systemie układ AD736 RMS mierzy dostarczanie mocy do elektrozaworów, umożliwiając dowolne wymagane i precyzyjne nachylenie, pochylenie i odchylenie.

Stabilizacja amplitudy lasera jest jednym z kluczy do skutecznego rozpoznawania fal grawitacyjnych, ponieważ fluktuacje mogą wyglądać jak sygnały, zauważa Abbott. Dlatego potrzebowaliśmy tak skoncentrowanego, nieogrodniczego rozwiązania.

Udowodnienie, że Einstein jest doskonały dzięki wydajności

Pierwszy w historii obraz rzeczywistego sygnału fali grawitacyjnej został początkowo wykryty w LIGO Livingston; potem zaledwie 7 milisekund później dotarł do zakładu w Hanford. Odkrycie nastąpiło w pierwszym tygodniu stosowania nowych, zaawansowanych detektorów laserowych LIGO, które obejmowały technologie układów scalonych ADI. Zespół LIGO był zachwycony, że wykrył fale grawitacyjne tak szybko po zainstalowaniu nowego urządzenia, a sygnał był tak głośny, że nie dało się go pomylić.

Opóźnienie między odkryciem sygnału fali grawitacyjnej a jego publicznym ujawnieniem odzwierciedlało potrzebę zespołu zbadania i potwierdzenia, że ​​rzeczywiście był on prawdziwy. Przez kilka tygodni naukowcy LIGO prowadzili eksperymenty w obu obserwatoriach, aby wykluczyć możliwość, że sygnały spowodowała anomalia instrumentalna lub usterka oprogramowania. Ostatecznie naukowcy ukończyli tak zwaną analizę korelacji i sprzężenia, z której wynikało, że sygnał mógł pochodzić tylko z głębokiej przestrzeni kosmicznej. Wszyscy pracownicy LIGO byli zobowiązani do zachowania tajemnicy od tego czasu aż do publicznego ogłoszenia.

Później, w Boże Narodzenie 2015 r., wykryto drugą falę grawitacyjną. Ponownie naukowcy dokładnie zbadali, a po potwierdzeniu kosmicznego pochodzenia sygnału ogłosili jego wykrycie 15 czerwca 2016 r.

Kiedy Einstein zaproponował istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur, uważał, że ich ustalenie jest w zasadzie niemożliwe. Fakt, że czujniki ADI i inne urządzenia przyczyniły się do precyzji interferometrów, które ostatecznie dokonały tego wyczynu, pozostaje źródłem wielkiej dumy dla osób zaangażowanych w rozwój technologii.

Firma Analog Devices od ponad 40 lat wspiera precyzyjne aplikacje do obserwacji Ziemi, pozycjonowania w komunikacji kosmicznej, rakiet nośnych i eksploracji kosmosu, mówi Bob Barfield, dyrektor ds. lotnictwa i obrony w ADI. Kiedy myślisz o tym, co jest w kosmosie i co jest poza tym, co wiemy w tej chwili, jest to zadziwiające. Niektóre z rzeczy, które są odkrywane — po prostu ekscytujące jest myślenie, że jesteśmy na krawędzi.

Aby dowiedzieć się więcej i obejrzeć film o projekcie LIGO, odwiedź www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

ukryć