COLUMBUS, Огайо - Гравітаційний детектор хвиль, який завдовжки 2,5 милі - це не круто. Ви знаєте, що круто? Детектор гравітаційного хвилі довжиною 25 миль.
Це підсумок серії переговорів, проведених тут у суботу (14 квітня) на квітневому засіданні Американського фізичного товариства. Наступне покоління гравітаційних детекторів хвиль зазирне аж до зовнішнього краю спостережуваного Всесвіту, шукаючи пульсацій у самій тканині простору-часу, які Енштейн передбачив, що відбудеться при зіткненні масивних предметів, таких як чорні діри. Але все ж є певні суттєві виклики, які стоять на шляху їх побудови, - присутні повідомили присутнім.
"Поточні детектори, які ви можете вважати дуже чутливими", - сказав Меттью Еванс, фізик з MIT, присутнім. "І це правда, але вони також найменш чутливі детектори, за допомогою яких можна виявити гравітаційні хвилі".
Поточні сповіщувачі, звичайно, не мають чим чхати. Коли в 2015 році в Лазерному інтерферометрі гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) вперше виявився простір-час, що зростає і скорочується, - гравітаційне відлуння зіткнення 1,3 мільярда років між двома чорними дірами - він довів існування величезних невидимих гравітаційних хвиль, які були колись цілком теоретичними, і лише за два роки привели до Нобелівської премії для творців LIGO.
Але LIGO та його двоюрідний брат, італійський (3 км) італійський інструмент Діва, принципово обмежені, сказали спікери. Обидва детектори реально здатні помітити гравітаційні хвилі від об'єктів, що знаходяться відносно близько до Землі в масштабах усього Всесвіту, заявив фізик MIT Сальваторе Вітале. Вони також обмежені у типах об'єктів, які вони можуть виявити.
Поки що було справді лише два основні результати поточного покоління інтерферометрів: виявлення злиття чорної діри у 2015 році та виявлення зіткнення двох зірок нейтронів (теж гаряча тема на конференції). Виявлено ще кілька зіткнень із чорною дірою, але вони не запропонували багато чого в приголомшливих результатах на початку першого виявлення.
Створіть масштабовані, точніші ЛІГО і Діви, або інший різновид масштабного детектора, який називають "телескопом Ейнштейна", - сказав Еванс, і швидкість виявлення хвиль може підскочити з одного кожні кілька місяців до більше 1 мільйона щороку .
"Коли я кажу, що ці детектори виводять нас на край Всесвіту, я маю на увазі, що вони можуть виявити майже кожну бінарну систему, яка зливається", - сказав він, маючи на увазі пари зірок, чорні діри та нейтронні зірки, що стикаються.
Це означає можливість виявлення чорних дір із самих ранніх років Всесвіту, зондування глибоких таємниць гравітації та навіть потенційного виявлення, вперше, гравітаційних хвиль зірки, що йде надновою і руйнується в нейтронну зірку чи чорну діру .
Більший - краще
То чому ж більші детектори призводять до більш чутливих пошуків гравітаційних хвиль? Щоб зрозуміти це, ви повинні зрозуміти, як працюють ці сповіщувачі.
ЛІГО та Діва, як раніше повідомляла Live Science, - це в основному гігантські лінійки у формі Г. Два тунелі розгалужуються під прямим кутом один від одного, використовуючи лазери, щоб зробити надзвичайно точні вимірювання довжини тунелів. Коли гравітаційна хвиля проходить через детектор, витаючи сам простір, ця довжина змінює крихітний біт. Те, що колись милі, стає, коротко, трохи менше, ніж миля. І лазер, пройшовши цю коротку відстань трохи швидше, демонструє, що зміни відбулися.
Але існує обмеження того, наскільки точним може бути таке вимірювання. Більшість хвиль занадто злегка пульсує лазер, щоб помітити інтерферометри. Удосконалення технології виявлення в існуючих тунелях LIGO та Діви може дещо покращити питання, сказав Еванс, і є плани цього зробити. Але, щоб по-справжньому посилити сигнал, за його словами, єдиний варіант - йти набагато більше.
Наступний крок - L-подібний детектор із 40-кілометровою рукою, що в 10 разів перевищує розмір LIGO, - сказав Еванс. Він назвав пропозицію "космічним дослідником". Він буде досить великим, щоб виявити майже все, що міг би виявити гравітаційний хвильовий детектор, але він не такий великий, що фізика, що лежить в основі, починає руйнуватися або кошти стають нездійсненно високими, навіть для такого роду очей, що кровоточать дорогою наукою проект. (Остаточна вартість LIGO склала сотні мільйонів доларів.)
То чому б детектор такого розміру, а не вдвічі чи в 10 разів більший?
У певний момент, довжиною 40 км (40 км), за словами Еванса, світло рухається так довго, щоб перейти від одного кінця тунелю до іншого, що експеримент може стати нечіткими, що робить результати менш точними, а не більшими.
Принаймні, такими ж складними є витрати. ЛІГО і Діва досить малі, що викривлення Землі не було суттєвим завданням будівництва, сказав Еванс. Але на відстані 40 км (40 км) на руку, розміщення кінців кожного тунелю на рівні землі означає, що центри тунелів повинні знаходитись під землею в 98,43 футів (якщо вважати, що земля ідеально рівна).
"Більше 40 кілометрів, - сказав Еванс, - відстань від перевезення бруду починає брати на себе витрати".
Існує також основна проблема пошуку плоского порожнього простору, достатнього для створення такого великого детектора. Еванс сказав, що в Європі в основному немає достатньо великого розміру, і в США варіанти обмежуються регіоном Великого Солоного озера в штаті Юта та пустелею Чорна Скеля в Неваді.
Ці космічні виклики зумовлюють альтернативну конструкцію гравітаційного хвильового детектора хвиль, що називається телескопом Ейнштейна. Хоча форма L - найкращий спосіб вимірювання гравітаційної хвилі, сказав Еванс, трикутник з трьома тунелями та декількома детекторами може зробити майже настільки ж хорошу роботу, займаючи набагато менший простір, ідеальний для географічних обмежень Європи.
Ці детектори ще від 20 до 20 років від завершення роботи, сказав Віталій, і всі технології, необхідні для їх побудови, ще не придумані. Все ж він і Еванс сказали зібраним вченим, що "настав час" почати працювати над ними. Вже зараз, за словами Віталія, є вісім робочих груп, які готують звіт про наукове обгрунтування таких масових пристроїв, який має вийти у грудні 2018 року.
Один із членів аудиторії запитав Еванса, чи є сенс будувати, скажімо, детектор (8 км) довжиною 5 миль, а справжній космічний дослідник або повномасштабний телескоп Ейнштейна залишається більше десяти років.
Якби він був у комітеті з фінансування, він не схвалював би такий проект, оскільки наукові прибутки від подвоєння розміру LIGO просто не такі великі, сказав Еванс. Лише на верхніх межах розміру тунелів, витрати на такий проект були б виправданими, додав він.
"Якщо я не знав, що з якихось причин це просто не варто", - сказав він.
Тим не менше, сказав Віталій, це не означає, що вченим доводиться чекати 15-20 років на наступну велику фазу результатів гравітаційної хвилі. Оскільки в Інтернеті з'являється більше детекторів в поточному масштабі, включаючи детектор гравітаційного хвилі Кайока розміром Діви (KAGRA) в Японії та LIGO розміром LIGO-Індія, і в міру вдосконалення існуючих детекторів дослідники матимуть можливість вимірювати окремі гравітаційні хвилі одразу з більшої точки зору, що дозволяє більше виявляти та більш детально робити висновки про те, звідки вони беруться.
