COLUMBUS, Ohaio - 2,5 jūdžu garš gravitācijas viļņu detektors nav foršs. Jūs zināt, kas ir forši? 25 jūdžu garš gravitācijas viļņu detektors.
Tas ir sarunu sērijas rezultāts, kas šeit tika sniegts sestdien (14. aprīlī) Amerikas Fizisko biedrības aprīļa sanāksmē. Nākamās paaudzes gravitācijas viļņu detektori darbosies līdz pat novērojamā Visuma ārējai malai, meklējot viļņus pašā telpas laika audumā, kas, pēc Einšteina prognozēm, varētu rasties, ja saduras tādi masīvi objekti kā melnie caurumi. Bet to uzbūvē joprojām ir daži nozīmīgi izaicinājumi, klātesošie stāstīja klātesošajiem.
"Pašreizējie detektori, par kuriem jūs varētu domāt, ir ļoti jutīgi," auditorijai sacīja MIT fiziķis Metjū Evanss. "Un tā ir taisnība, bet tie ir arī vismazāk jutīgie detektori, ar kuru palīdzību jūs varat noteikt gravitācijas viļņus."
Pašreizējie detektori, protams, nav par ko šķaudīt. Kad 2,5 jūdžu garais (4 kilometrus garais) lāzera interferometra gravitācijas viļņu novērošanas centrs (LIGO) pirmo reizi atklāja, ka kosmosa laiks aug un sarūk jau 2015. gadā - gravitācijas atbalss 1,3 miljardus gadu vecā divu melno caurumu sadursmē - tas pierādīja plašo, neredzamo gravitācijas viļņu esamību, kas savulaik bija pilnīgi teorētiski, un tikai divu gadu laikā LIGO veidotājiem piešķīra Nobela prēmiju.
Bet LIGO un tās brālēns, 1,9 jūdžu (3 km) itāļu instruments Virgo, ir principiāli ierobežoti, sacīja runātāji. Abi detektori patiešām spēj izdalīt gravitācijas viļņus no objektiem, kas ir salīdzinoši tuvu Zemei uz visa Visuma mēroga, sacīja MIT fiziķis Salvatore Vitale. Viņiem ir arī ierobežots objektu tips, kurus viņi var atklāt.
Līdz šim patiesībā ir bijuši tikai divi galvenie rezultāti no pašreizējās interferometru paaudzes: melnā cauruma apvienošanās atklāšana 2015. gadā un divu neitronu zvaigžņu sadursmes noteikšana 2017. gada augustā (arī karstā tēma konferencē). Ir atklātas vēl dažas melnā cauruma sadursmes, taču tās nav daudz piedāvājušas apdullināšanas rezultātus virs pirmās atklāšanas.
Veidojiet palielinātu, precīzāku LIGO un Virgos vai cita veida liela mēroga detektoru, ko sauc par "Einšteina teleskopu", sacīja Evanss, un viļņu noteikšanas ātrums varētu pieaugt no viena ik pēc dažiem mēnešiem līdz vairāk nekā 1 miljonam katru gadu. .
"Kad es saku, ka šie detektori mūs izved līdz Visuma malai, es domāju, ka viņi var atklāt gandrīz katru bināro sistēmu, kas saplūst," viņš teica, atsaucoties uz zvaigžņu pāriem, melnajiem caurumiem un neitronu zvaigznēm, kas saduras.
Tas nozīmē iespēju atklāt melnos caurumus no Visuma ļoti agrīnajiem gadiem, zondēt dziļos gravitācijas noslēpumus un, iespējams, pirmo reizi atklāt arī zvaigznes gravitācijas viļņus, kas iet supernovā un sabrūk neitronu zvaigznī vai melnajā caurumā. .
Lielāks ir labāks
Tad kāpēc lielāki detektori rada jutīgāku gravitācijas viļņu meklēšanu? Lai to saprastu, jums ir jāsaprot, kā šie detektori darbojas.
LIGO un Jaunava, kā jau iepriekš ziņoja Live Science, pamatā ir milzu L formas valdnieki. Divi tuneļi sazarojas taisnā leņķī viens no otra, izmantojot lāzerus, lai īpaši precīzi izmērītu tuneļu garumu momentā no brīža. Kad gravitācijas vilnis iziet cauri detektoram, pats mainoties telpai, šis garums maina mazu. Tas, kas kādreiz bija jūdze, īsumā kļūst nedaudz mazāks par jūdzi. Un lāzers, nedaudz ātrāk šķērsojot šo īsāko attālumu, parāda, ka izmaiņas ir notikušas.
Tomēr ir ierobežots, cik precīzi šis mērījums var būt. Lielākā daļa viļņu pārāk nedaudz ripo lāzeru, lai interferometri to pamanītu. Evans sacīja, ka uzlabojot atklāšanas tehnoloģiju LIGO un Jaunavas esošajos tuneļos, lietas var nedaudz uzlabot, un ir plāni to darīt. Bet, lai patiesi pastiprinātu signālu, viņš teica, vienīgā iespēja ir palielināties daudz plašāk.
Nākamais solis ir L formas detektors ar 24,86 jūdžu (40 km) ieročiem, kas ir 10 reizes lielāki par LIGO, sacīja Evanss. Priekšlikumu viņš sauca par “kosmisko pētnieku”. Tas būtu pietiekami liels, lai atklātu gandrīz visu, ko, iespējams, varētu atklāt gravitācijas viļņu detektors, viņš sacīja, bet tas nav tik liels, lai pamatā esošā fizika sāk sabrukt vai izmaksas kļūst neizmērojami augstas, pat šāda veida acu asiņojoši dārgai zinātnei projekts. (LIGO galīgās izmaksas sasniedza simtiem miljonu dolāru.)
Kāpēc tad šāda izmēra detektors, nevis divreiz vai 10 reizes lielāks?
Evanss sacīja, ka noteiktā brīdī, apmēram 40 km garumā, apmēram 24,86 jūdzes (40 km), gaisma prasa tik ilgu laiku, lai pārvietotos no viena tuneļa gala uz otru, un eksperiments var kļūt izplūdušs, padarot rezultātus mazāk precīzus, nevis vairāk.
Vismaz tikpat sarežģītas ir izmaksas. LIGO un Jaunava ir pietiekami mazi, ka Zemes izliekums nebija būtisks būvniecības izaicinājums, sacīja Evanss. Bet, veicot 24,86 jūdzes (40 km) uz vienu roku, katra tuneļa galu novietošana zemes līmenī nozīmē, ka tuneļu centriem jāatrodas 98,43 pēdas (30 metru) pazemē (pieņemot, ka zeme ir perfekti līdzena).
"Vairāk nekā 40 kilometru garumā," sacīja Evanss, "netīrumu pārvadāšanas attālums sāk pārņemt izmaksas."
Pastāv arī pamatproblēma, kā atrast plakanu tukšu vietu, kas ir pietiekami liela, lai izveidotu tik lielu detektoru. Evanss sacīja, ka principā nekur Eiropā nav pietiekami liela, un ASV iespējas ir ierobežotas ar Lielā sāls ezera reģionu Jūtā un Melnā klinta tuksnesi Nevada.
Šie kosmosa izaicinājumi virza alternatīvo masīvā gravitācijas viļņu detektora dizainu, ko sauc par Einšteina teleskopu. Lai arī L forma ir labākais veids, kā izmērīt gravitācijas viļņu, Evanss sacīja, ka trīsstūris ar trim tuneļiem un vairākiem detektoriem var paveikt gandrīz tikpat labu darbu, vienlaikus aizņemot daudz mazāku vietu, kas ir ideāli piemērots Eiropas ģeogrāfiskajiem ierobežojumiem.
Šie detektori joprojām ir 15 līdz 20 gadu attālumā no pabeigšanas, sacīja Vitale, un visas tehnoloģijas, kas vajadzīgas to uzbūvēšanai, vēl nav izgudrotas. Tomēr viņš un Evanss abiem sapulcinātajiem zinātniekiem teica, ka "ir pienācis laiks" sākt darbu pie viņiem. Jau, pēc Vitale sacītā, ir astoņas darba grupas, kuras gatavo ziņojumu par šādu masveida ierīču zinātnisko pamatojumu, kuras termiņš ir paredzēts 2018. gada decembrī.
Viens no auditorijas locekļiem jautāja Evansam, vai ir jēga uzbūvēt, teiksim, 5 jūdžu (8 km) detektoru, kamēr īsts Cosmic Explorer vai pilna mēroga Einšteina teleskops paliek vairāk nekā desmit gadu attālumā.
Ja viņš būtu finansēšanas komitejā, viņš šādu projektu neapstiprinātu, jo zinātniskā atdeve no LIGO lieluma divkāršošanas vienkārši nav tik liela, sacīja Evanss. Viņš piebilda, ka šāda projekta izmaksas būs pamatotas tikai ar tuneļa augšējām robežām.
"Ja vien es kaut kādu iemeslu dēļ nezināju, tas vienkārši nav tā vērts," viņš teica.
Tomēr Vitale sacīja, ka tas nenozīmē, ka zinātniekiem ir jāgaida 15 līdz 20 gadi uz nākamo galveno gravitācijas viļņu rezultātu fāzi. Tā kā vairāk detektoru pašreizējā mērogā nonāk tiešsaistē, ieskaitot Jaunavas izmēra Kamioka gravitācijas viļņu detektoru (KAGRA) Japānā un LIGO izmēra LIGO-Indiju, un, uzlabojoties esošajiem detektoriem, pētniekiem būs iespēja izmērīt atsevišķus gravitācijas viļņus. no vairākiem leņķiem uzreiz, ļaujot veikt vairāk atklājumu un detalizētākus secinājumus par to, no kurienes tie nāk.
