LIGO — lāzerinterferometra observatorija gravitācijas viļņu detekcijai

LIGO — lāzerinterferometra observatorija, kas atklāj un mēra gravitācijas viļņus; tehnoloģija, revolucionāri atklājumi un precīza laika‑attāluma detekcija.

Lāzerinterferometra gravitācijas viļņu observatorija (LIGO) ir liela mēroga fizikas observatorija, kas uzrāda kosmiskos gravitācijas viļņus un kuras līdzdibinātājs ir skotu fiziķis RonaldsDrevers. Pirmo reizi to finansēja Nacionālais zinātnes fonds (NSF), un to iecerēja, uzbūvēja un vada Kaltehs un MIT. NSF ir finansējis LIGO uzlabojumus, lai palielinātu jutību, kas ļāva veikt pirmo gravitācijas viļņu atklāšanu. LIGO ir lielākais un vērienīgākais projekts, ko jebkad finansējis NSF.

LIGO ir interferometrs. Tas izstaro lāzera staru un sadala to divos lāzera staros. Spoguļi tos atstaro atpakaļ uz gaismas detektoru un apvieno. Parasti abiem lāzera stariem vajadzētu savstarpēji izjaukties, tāpēc gaisma nesasniedz detektoru, taču jebkādas gravitācijas viļņu izraisītas izmaiņas laikā-attālumā var izmainīt lāzera starus tā, ka tie netiek pilnībā izjaukti. Kad tas notiek, gaismas detektors redzēs daļu lāzera gaismas, ko var izmantot, lai noteiktu laika-attāluma izkropļojuma lielumu.

Kas ir LIGO un kur tas atrodas

LIGO ir Zemes līmeņa tīkls ar diviem pamata detektoriem Amerikas Savienotajās Valstīs — viens Laškas Hānfordā (Washington štatā) un otrs Livingstonā (Luisianas štatā). Katra detektora interferometra garums ir aptuveni 4 km (katra "roka" garums), un tie darbojas kopā, lai apstiprinātu signālus un noteiktu to avotu virzienu. LIGO darbību koordinē LIGO Scientific Collaboration (LSC) — starptautiska pētnieku kopiena, kas strādā pie datu analīzes, aparatūras un teorētiskajiem modeļiem.

Kā darbojas lāzerinterferometrs — īsi un skaidri

• Interferometra pamatprincips ir Maišelsa (Michelson) interferometrs: lāzers tiek sadalīts divos stara ceļos, kas atstarojas no spoguļiem un pēc tam tiek apvienoti.
• Gravitācijas vilnis izraisa ļoti niecīgas izmaiņas ceļu garumos abos armu virzienos. Šīs izmaiņas rada fāzes nobīdi starp stariem, kas noved pie mainīta gaismas intensitātes pie detektora.
• LIGO izmanto papildus tehnoloģijas, lai pastiprinātu signālu: Fabry–Pérot kameras armās, jaudas un signāla atgriešanas spoguļus, augstas jaudas stabilizētu lāzeru, vakuuma cauruļvadus, trīskāršu vai divpakāpju suspensijas sistēmas un seismiskās izolācijas sistēmas.
• Tipiskā LIGO jutība ļauj reģistrēt roku garuma svārstības aptuveni 10^-19–10^-21 metru skalā (atkarībā no frekvences), tas ir — daudz mazāku par atomu un protonu izmēriem.

Vēsture un nozīmīgi uzlabojumi

LIGO izveidoja un pārvaldīja Caltech un MIT, un to sākotnēji finansēja NSF. Projekts gāja cauri vairākiem posmiem: Initial LIGO, Enhanced LIGO un Advanced LIGO. Lielākā modernizācija, Advanced LIGO, ieviesa būtiskas tehnoloģiskas izmaiņas un palielināja detektoru jutību aptuveni desmitkārtīgi, kas palielināja novērošanas apjomu par aptuveni tūkstoš reižu un deva iespēju regulāri reģistrēt astronomiskus notikumus.

Galvenie atklājumi un to nozīme

2015. gada 14. septembrī Advanced LIGO veica pirmo tiešo gravitācijas viļņu detektēšanu (kosmiskā notikuma signālu, kas vēlāk tika atzīmēts par GW150914) — tas bija gravitācijas viļņu signāls no divu melno caurumu saplūšanas. Šis atklājums atvēra jaunu astronomijas nozari — gravitācijas viļņu astronomiju. Pēc tam LIGO kopā ar citiem detektoriem (piem., Virgo) ir reģistrējis daudzus citus notikumus, tostarp dvēseles zvaigžņu saplūšanu GW170817, kas bija pirmais gadījums, kad gravitatīvās viļņu detektēšana tika apvienota ar elektromagnētiskiem novērojumiem (gamma staru dzēriens un kilonova), sniedzot plašu informāciju par zvaigžņu materiālu, kodolfiziku un Hubble konstantes mērījumiem.

Tehniskie izaicinājumi un trokšņi

• Seismiskais troks (zemes vibrācijas) — risināts ar aktīviem un pasīviem izolatoriem.
• Termiskais trokšņs materiālos — augstas kvalitātes spoguļu un suspenziju materiāli, saldēšanas un materiālu inženierija.
• Kvantu (shot) trokšņs un radiācijas spiediens — augstas jaudas lāzeri, signalizācijas atgriešana, kvantu optikas metodes (piem., squeezed light) jutības uzlabošanai.
• Vides trokšņi un kosmiskā jonizācija — rūpīga monitoringa sistēmas un datu filtrēšana.

Sadarbība un nākotne

LIGO strādā kā daļa no globālas gravitatīvās viļņu detektoru tīkla, kurā ietilpst arī Virgo (Eiropā), KAGRA (Japānā) un GEO600 (Vācija). Dažādu detektoru kopdarbs uzlabo signālu localizāciju un ticamību. Turpinās uzlabojumi aparatūrā un datu analīzes metodēs, kā arī plāni nākotnē izveidot vēl jutīgākus zemes vai kosmosa bāzētus detektorus (piemēram, projekta LISA kosmosa interferometrs).

LIGO veica revolūciju fizikā un astronomijā — pirmā tiešā gravitācijas viļņu detektēšana apstiprināja Āinaštaina vispārējās relativitātes prognozes un atvēra jaunu ceļu Visuma izpētei. Par šo darbu 2017. gadā Nobela prēmiju fizikā ieguva Rainer Weiss, Kip Thorne un Barry Barish par fundamentālo ieguldījumu gravitatīvo viļņu detekcijā un LIGO izveidē.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Lāzerinterferometra gravitācijas viļņu observatorija (LIGO)?

J: Kas finansēja sākotnējo LIGO projektu?

J: Kā LIGO uzlabojumi palielināja tā jutību?

J: Kas ir interferometrs?

J: Kā izmaiņas laikā un telpā ietekmē lāzera starus interferometrā?

J: Kāds bija vērienīgākais NSF finansētais projekts, ko LIGO jebkad īstenojis?

Meklēt pēc burta