LIVINGSTON, La. - Apmēram pusotras jūdzes attālumā no tik lielas ēkas, ka to varat redzēt no kosmosa, katra automašīna uz ceļa palēninās līdz rāpošanai. Autovadītāji zina, ka ļoti nopietni uztver ātruma ierobežojumu 10 jūdzes stundā (16 km / h). Tas notiek tāpēc, ka ēkā atrodas masīvs detektors, kas medī debesu vibrācijas vismazākajā mērogā, kāds jebkad mēģināts. Nav pārsteidzoši, ka tas ir jutīgs pret visām apkārt esošajām zemes vibrācijām, sākot ar garāmbraucoša auto dārdoņu un beidzot ar dabas katastrofām zemeslodes otrā pusē.
Rezultātā zinātniekiem, kuri strādā pie viena no LIGO (lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorijas) detektoriem, jāmeklē ārkārtējs attālums, lai nomedītu un noņemtu visus iespējamos trokšņa avotus - palēninot satiksmi ap detektoru, uzraugot katru niecīgo trīci zemi, pat apturot aprīkojumu no četrkāršās svārsta sistēmas, kas samazina vibrācijas - tas viss tiek darīts, lai izveidotu visklusāko vibrāciju plankumu uz Zemes.
"Viss ir saistīts ar trokšņu medībām," sacīja Džeins Romijs, detektoru un inženieru grupas vadītājs LIGO detektorā Luiziānā.
Kāpēc LIGO fiziķi ir tik ļoti apsēsti, lai novērstu troksni un radītu visvibrētāko vietu uz planētas? Lai to saprastu, jums jāzina, kas ir gravitācijas viļņi un kā LIGO tos vispirms atrod. Saskaņā ar vispārējo relativitāti, telpa un laiks ir daļa no tā paša kontinuuma, kuru Einšteins sauca par telpas laiku. Un telpā ar laiku strauji paātrinoši masīvi objekti var radīt gravitācijas viļņus, kas izskatās kā rīboņi, kas izstaro uz āru, kad oļi tiek nolaisti uz dīķa virsmas. Šie viļņi atklāj paša kosmosa auduma izstiepšanos un saraušanos.
Kā jūs izmērāt izmaiņas telpā-laikā, kad jebkura mērīšanas ierīce piedzīvo šīs pašas izmaiņas? Ģeniāls risinājums ir tas, kas pazīstams kā interferometrs. Tas balstās uz faktu, ka gravitācijas viļņi izstiepj telpas laiku vienā virzienā, vienlaikus savelkot to perpendikulārā virzienā. Padomājiet par boju uz ūdens: Kad vilnis iet garām, tas bobs augšā un lejā. Gravitācijas viļņa gadījumā, kas izstaro pāri Zemei, viss vienmēr svārstās tik nedaudz uz priekšu un atpakaļ, nevis uz augšu un uz leju.
LIGO detektoru veido lāzera gaismas avots, staru sadalītājs, vairāki spoguļi un gaismas detektors. Gaisma iziet no lāzera, to ar sadalītāja palīdzību sadala divos perpendikulāros staros, pēc tam pārvietojas vienādos attālumos pa interferometra ieročiem līdz diviem spoguļiem, kur gaisma atstarojas atpakaļ pa ieročiem. Pēc tam abas gaismas izstaro detektoru, kurš ir novietots pretī vienam no atstarojošajiem spoguļiem. Kad gravitācijas vilnis iet caur interferometru, tas vienu no rokām padara nedaudz garāku, bet otru - nedaudz īsāku, jo tas stiepjas telpā vienā virzienā, vienlaikus saspiežot to pa otru. Šīs bezgalīgi mazās izmaiņas reģistrē gaismas shēmā, kas iedarbojas uz gaismu. detektors. LIGO jutīguma līmenis ir līdzvērtīgs "attāluma līdz tuvākajai zvaigznei (apmēram 4,2 gaismas gadi) mērīšanai ar precizitāti, kas ir mazāka par cilvēka matu platumu", teikts LIGO sadarbības vietnē.
Lai varētu noteikt šo matu platuma vilni, zinātnieki dodas uz galēju garumu, lai novērstu visus iespējamos traucējumus šai smalki noregulētajai uzbūvei, sacīja Karls Blērs, LIGO pēcdoktorantūras pētnieks, kurš pēta opto-mehāniku vai gaismas mijiedarbību ar mehāniskajām sistēmām.
Sākumā 2,5 jūdžu (4 kilometru) ieroči atrodas vienā no nevainojamākajiem pasaules vakuumiem, kas nozīmē, ka tas gandrīz nesatur molekulas, tāpēc nekas nevar traucēt staru ceļu. Detektorus ieskauj arī visu veidu ierīces (seismometri, magnetometri, mikrofoni un gamma staru detektori, lai minētu dažus), kas mēra traucējumus datos un tos noņem.
Jebkurš, kas varētu traucēt vai nepareizi interpretēt kā gravitācijas viļņa signālu, arī ir jānošauj un jālikvidē, sacīja Blērs. Tas ietver nepilnības pašā detektorā - tā dēvēto troksni - vai neastrofiziskos traucējumus, ko uztver instruments - tā sauktos trūkumus. Fizikiem ir jāatskaitās pat to atomu vibrācijas, kas veido detektora spoguli, un strāvas izlases veida svārstībām elektronikā. Lielākā mērogā trūkumi var būt jebkas, sākot ar garāmbraucošu kravas vilcienu un beidzot ar slāpju kraukli.
Glitches var būt ļoti sarežģītas. Kad Arnaud Pele pievienojās detektoru inženieru komandai LIGO, viņam tika uzdots izdomāt, no kurienes nāk īpaši nepatīkami traucējumi: instrumenti, kas mēra zemes kustību ap gravitācijas viļņu detektoriem, reģistrēja nemainīgu smaili, un neviens zināja kāpēc. Pēc vairākus mēnešus ilgas ilgas pēc gulēšanas viņš atrada vainīgo: zemu klājošu klinti, kas atradās starp zemi un dažām mehāniskām atsperēm zem ventilācijas sistēmas. Akmens dēļ avoti nespēja novērst ventilatora vibrācijas parādīšanos detektorā, izraisot noslēpuma signālu. "Tā ir patiešām jautra mana darba sastāvdaļa, veicot šo detektīvu darbu," sacīja Pele. "Lielākoties tie ir vienkārši risinājumi." Meklējot bezgalīgi mazas vibrācijas no Visuma tālākajām vietām, reālais darbs var atrasties ļoti zemu.
Vissvarīgākais, iespējams, ir trīs detektori: Papildus tam, kas atrodas Luiziānā, ir viens Hanfordā, Vašingtonā un trešais Itālijā: "Ja kaut kas ir reāls, tam visiem detektoriem ir jāizskatās vienādi," sacīja LIGO sadarbības biedrs. Salvatore Vitale, MIT fizikas profesors. Ja tas ir kravas vilciens vai klintis, kas novietots zem avota, tad tas parādīsies tikai vienā no trim detektoriem.
Izmantojot visus šos rīkus un dažus ļoti sarežģītus algoritmus, zinātnieki spēj kvantitatīvi noteikt varbūtību, ka signāls patiešām ir gravitācijas vilnis. Viņi pat var aprēķināt nepatiesu trauksmes līmeni noteiktā noteikšanā vai iespēju, ka precīzs signāls parādīsies nejauši. Piemēram, vienā no šīs vasaras sākuma notikumiem viltus trauksmes līmenis bija mazāks nekā vienu reizi 200 000 gadu, padarot to par ārkārtīgi pārliecinošu kandidātu. Bet mums būs jāgaida, līdz galīgais spriedums būs spēkā.
Ziņojumi par šo rakstu daļēji tika atbalstīti ar Nacionālā zinātnes fonda piešķīrumu.
