LIVINGSTON, La. - На відстані милі з половиною від такої великої будівлі, що ви бачите це з космосу, кожен автомобіль на дорозі сповільнюється і повзає. Водії знають, що обмеження швидкості на 10 миль / год (16 км / год) дуже серйозно: Це тому, що в будівлі розміщений масивний детектор, який полює на небесні вібрації в найменшому масштабі, який коли-небудь намагався. Не дивно, що він чутливий до всіх земних коливань навколо нього, від бурчання проїжджаючого автомобіля до стихійних лих з іншого боку земної кулі.
Як результат, вчені, які працюють в одному з детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO (Лазерний інтерферометр), повинні вийти на надзвичайну довжину, щоб полювати і видалити всі потенційні джерела шуму - сповільнення руху по детектору, моніторинг кожного крихітного тремтіння ґрунт, навіть призупинивши обладнання від чотириразової маятникової системи, яка мінімізує вібрації - все це намагаючись створити найбільш "безшумне" коливальне місце на Землі.
"Все стосується шумового полювання", - сказала Джейн Ромі, керівник детекторно-інженерної групи на детекторі LIGO в Луїзіані.
Чому фізики LIGO настільки одержимі усуненням шуму та створенням найбільш вібраційного місця на планеті? Щоб зрозуміти це, вам потрібно знати, що таке гравітаційні хвилі і як LIGO виявляє їх в першу чергу. За загальною відносністю, простір і час є частиною того самого континууму, який Ейнштейн назвав простором-часом. А в просторі-часі масивні об'єкти, що швидко прискорюються, можуть створювати гравітаційні хвилі, схожі на брижі, які випромінюються назовні, коли камінчик падає на поверхню ставка. Ці хвилі виявляють розтягнення та стиск тканини самого космосу.
Як ви вимірюєте зміни в просторі-часі, коли будь-який вимірювальний прилад зазнав би ці самі зміни? Геніальне рішення - це те, що відомо як інтерферометр. Він спирається на те, що гравітаційні хвилі розтягують простір-час вздовж одного напрямку, при цьому стискаючи його по перпендикулярному напрямку. Подумайте про буй на воді: Коли хвиля проходить, вона піднімається вгору і вниз. У випадку гравітаційної хвилі, що випромінює Землю, все коливається колись так злегка вперед-назад, а не вгору і вниз.
Детектор LIGO складається з лазерного джерела світла, розбивача променя, декількох дзеркал та детектора світла. Світло залишає лазер, розбивається на два перпендикулярні промені променевим спліттером, а потім проходить однакові відстані вниз по руках інтерферометра до двох дзеркал, де світло відбивається назад вниз по зброї. Тоді обидва променя потрапляють у детектор, який розміщений навпроти одного із дзеркал, що відбиваються. Коли гравітаційна хвиля проходить через інтерферометр, вона робить одну з рук трохи довшою, а іншу трохи коротшою, тому що вона розтягує простір уздовж одного напрямку, стискаючи його вздовж іншого. детектор. Рівень чутливості LIGO еквівалентний "вимірюванню відстані до найближчої зірки (приблизно 4,2 світлових років) з точністю, меншою за ширину людського волосся", згідно з веб-сайтом співпраці LIGO.
Щоб визначити хвилю ширини волосся, учені намагаються усунути будь-які можливі порушення цієї тонко налаштованої установки, - сказав Карл Блер, докторальний дослідник LIGO, який вивчає оптомеханіку або взаємодію світла з механічними системами.
Для початку зброя розміром 2,5 кілометра (4 кілометри) знаходиться в одній з найдосконаліших вакуумів у світі, це означає, що вона майже не має молекули, тому нічого не може заважати шляху пучка. Детектори також оточені всілякими пристроями (сейсмометрами, магнітометрами, мікрофонами та гамма-детекторами), які вимірюють порушення в даних та видаляють їх.
Все, що могло б заважати або неправильно трактуватись як сигнал гравітаційної хвилі, також слід відшукувати та усунути, сказав Блер. Це включає недосконалість у самому детекторі - що називається шумом - або неастрофізичні порушення, які підхоплюються інструментом, - які називаються глюками. Фізики повинні навіть враховувати коливання атомів, що складають дзеркало детектора, та випадкові коливання струму в електроніці. У більших масштабах глюки можуть бути будь-якими - від проїжджаючого вантажного поїзда до спраглого ворона.
А глюки можуть бути справді складними, щоб прибити нігті. Коли Арно Пеле приєднався до інженерно-конструкторської команди LIGO, йому було доручено розібратися, звідки беруться особливо неприємні порушення: інструменти, які вимірювали рух землі навколо детекторів гравітаційної хвилі, реєстрували постійний сплеск, і ніхто знав чому. Після декількох місяців собачого спати, він виявив винуватця: невибаглива скеля, що опинилася між землею та деякими механічними джерелами під вентиляційною системою. Через скелю пружини не змогли запобігти появі вібрації вентилятора в детекторі, викликаючи таємничий сигнал. "Це дійсно весела частина моєї роботи, займаючись цим детективом", - сказав Пеле. "Здебільшого це прості рішення". У пошуках нескінченно малих коливань з далеких просторів Всесвіту справжня робота може бути дуже вниз до Землі.
Найголовніше, мабуть, є три детектори: окрім одного в Луїзіані, у Ганфорді, штат Вашингтон, і третього в Італії: "Якщо щось справжнє, воно повинно виглядати однаково у всіх детекторах", - сказав член співпраці LIGO Сальваторе Вітале, доцент фізики в MIT. Якщо це вантажний потяг або скеля, що знаходилася під пружиною, то він з’явиться лише в одному з трьох детекторів.
За допомогою всіх цих інструментів та деяких дуже складних алгоритмів вчені можуть кількісно оцінити ймовірність того, що сигнал справді є гравітаційною хвилею. Вони навіть можуть обчислити помилкову швидкість тривоги для заданого виявлення або можливість того, що точний сигнал з’явиться випадково. Наприклад, одна з подій початку цього літа, наприклад, частота помилкової тривоги була меншою, ніж один раз за 200 000 років, що зробило її надзвичайно переконливим кандидатом. Але нам доведеться почекати, поки не вийде остаточний вирок.
Звіт про цю статтю був частково підкріплений грантом Національного наукового фонду.
