LIGO

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Centrum sterowania detektora w Hanford
Zachodnia odnoga detektora LIGO w Hanford

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory[a]) – detektor fal grawitacyjnych, grawitonów, bazujący na zasadzie interferometru Michelsona. LIGO jest wspólnym przedsięwzięciem naukowców z MIT, Caltech i wielu innych szkół wyższych.

Projekt jest sponsorowany przez National Science Foundation. Pomysł budowy detektora powstał w 1992, a jego pomysłodawcami byli Kip Thorne i Ronald Drever z Caltech oraz Rainer Weiss z MIT. Budowę rozpoczęto w 1996, a zakończono cztery lata później. Pierwszych badań naukowych dokonano w 2002. Koszt budowy wyniósł 365 mln USD (według cen z 2002 roku)[1].

Pomimo zaawansowanej aparatury, która była zainstalowana na LIGO 1, naukowcy nie zarejestrowali sygnału, który ze stuprocentową pewnością mógłby doświadczalnie potwierdzić istnienie zaburzeń pola grawitacyjnego. Naukowcy twierdzą, że było to spowodowane zbyt małą czułością zainstalowanej aparatury badawczej, gdyż była to pierwsza wersja testowa instrumentu. Problemy te miała przełamać kolejna, udoskonalona wersja LIGO.

W 2008 podjęto decyzję o udoskonaleniu instrumentu w celu zwiększenia jego czułości 10-krotnie. Zakończenie prac i ponowne rozpoczęcie pomiarów LIGO nastąpiło we wrześniu 2015 roku[2].

Budowa i zasada działania[edytuj]

Schemat budowy detektora
Wykres porównujący zakres czułości detektorów LIGO i LISA.

Obserwatorium LIGO to nie jedna, lecz dwie identyczne instalacje, oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Jedna z nich znajduje się w Hanford, w pobliżu Richland w stanie Waszyngton, a druga w Livingston w stanie Luizjana. Instalacja, która z góry wygląda jak litera L, to dwie rury o długości 4 km każda i stykające się pod kątem prostym. Każde z ramion detektora zbudowane jest z betonowej rury o średnicy 2 m, w której wnętrzu znajduje się druga rura ze stali nierdzewnej, w której panuje niemal zupełna próżnia. W miejscu, w którym rury się łączą, umiejscowiony jest laser oraz rozdzielacz wiązki świetlnej.

Dzięki rozdzielaczowi wiązka lasera zostaje rozdzielona i skierowana do obu ramion w tym samym czasie. Wiązki docierają do zwierciadeł umieszczonych na końcu każdej z rur. Aby osiągnąć maksymalną dokładność pomiaru promienie są odbijane tam i z powrotem około 100 razy, po czym zostają skierowane do fotodetektora. Następnie komputer porównuje obie wiązki lasera zarejestrowane w fotodetektorze i dzięki zjawisku interferencji wylicza różnicę dróg przebytych przez obydwie wiązki. Drogi te teoretycznie powinny być identyczne, ale jeżeli w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, wtedy jedno z ramion detektora będzie nieco dłuższe, co spowoduje, że jedna z wiązek dotrze do fotodetektora z niewielkim opóźnieniem.

Trudność w detekcji fal grawitacyjnych polega na tym, że nawet największe przewidywane zaburzenia czasoprzestrzeni mogą zmienić długość ramion detektora o mniej niż jedną tysięczną część średnicy protonu. Dla porównania – to mniej więcej tak, jakby mierzyć zmiany średnicy Drogi Mlecznej (średnica około 100 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra.

Największym problemem przy projektowaniu i budowie LIGO było opracowanie sposobu na uniknięcie niepożądanych zakłóceń podczas pomiarów, szczególnie tych, których źródłem mogą być wstrząsy sejsmiczne, przelot samolotu w pobliżu laboratorium lub ciężkie roboty budowlane w okolicy. Każde z tych zakłóceń musi być wyeliminowane, aby pomiar był wiarygodny. W tym celu opracowano szereg systemów tłumiących drgania oraz programy komputerowe, które potrafią porównać i oddzielić zakłócenia od wyników badań.

Najważniejszym rozwiązaniem konstrukcyjnym był pomysł, aby wybudować nie jeden, ale dwa oddalone od siebie identyczne instrumenty. Ma to znaczenie, gdyż nawet kiedy w jednym LIGO dojdzie do niepożądanych zakłóceń pochodzenia ziemskiego, to drugi instrument oddalony o 3 tys. kilometrów nie zostanie zakłócony. Natomiast gdy przez Ziemię przejdzie z prędkością światła fala grawitacyjna, wywoła zmiany, które zajdą tuż po sobie w obydwu ośrodkach.

Cele naukowe[edytuj]

Podstawowym celem LIGO jest zaobserwowanie i próba lokalizacji źródeł fal grawitacyjnych, które powodują zmarszczki czasoprzestrzeni. Twórcą teorii opisującej fale grawitacyjne jest Albert Einstein, który tworząc ogólną teorię względności przewidział w swoich równaniach, że na skutek ruchu obiektów obdarzonych masą w przestrzeni powinny rozchodzić się fale grawitacyjne, czyli zaburzenia czasoprzestrzeni. Im większa masa i szybszy ruch, tym większe zaburzenia przestrzeni oraz łatwiejsze do obserwacji przez naziemne detektory typu LIGO. Falowe zmiany pola grawitacyjnego pierwszy próbował zarejestrować fizyk amerykański Joseph Weber w latach 60. XX wieku. Budował on aluminiowe cylindry obłożone detektorami, lecz ich czułość była zbyt niska i nigdy nie zostały wprawione w drgania, a te drgania miały być dowodem na istnienie fal. Dzisiaj istnienie fal grawitacyjnych nie budzi już wątpliwości, gdyż zostały udowodnione pośrednio przez dwóch radioastronomów w 1974 roku. Joseph Taylor i Russel Hulse obserwując dwa okrążające się pulsary PSR B1913+16, stwierdzili, że układ ten powoli traci energię wywołując zaburzenia czasoprzestrzeni, co jest zgodne z ogólną teorią względności. Za to odkrycie otrzymali w 1993 Nagrodę Nobla[3].

Badanie Wszechświata przy pomocy detektorów fal grawitacyjnych to nowa dziedzina badań astronomicznych oraz uzupełnienie obserwacji prowadzonych obecnie – poprzez obserwacje promieniowania elektromagnetycznego (w całym zakresie) oraz detektory neutrin. Przez rejestrowanie fal grawitacyjnych możliwa jest obserwacja największych kosmicznych zjawisk: zderzeń gwiazd neutronowych, czarnych dziur lub wybuchów supernowych.

Odkrycie fal grawitacyjnych[edytuj]

Pomiary systemu LIGO wykonane przez instrumenty w Hanfordzie (po lewej) i Livingstonie (po prawej) wraz z przewidywanymi wartościami teoretycznymi
 Osobny artykuł: GW150914.

11 lutego 2016 międzynarodowy zespół naukowców poinformował o pierwszym w historii zarejestrowaniu fal grawitacyjnych. 14 września 2015, niemal w tym samym czasie, fale zostały wykryte przez oba detektory LIGO[4][5]. Zarejestrowane fale grawitacyjne pochodziły ze zderzenia układu dwóch czarnych dziur, do którego doszło ponad miliard lat temu. Z ogłoszeniem wyników obserwacji zwlekano kilka miesięcy ze względu na dokładną weryfikację danych. Nie chciano też powtórzyć błędu sprzed dwóch lat, kiedy błędnie zinterpretowano obserwacje prowadzone na biegunie południowym za pomocą BICEP2, teleskopu mikrofalowego promieniowania tła[6].

Inne detektory fal grawitacyjnych[edytuj]

LIGO to nie jedyny instrument tego typu. Działają m.in. GEO600, VIRGO, a w fazie projektów pozostają AIGO, LCGT. Prace trwają również nad detektorem eLISA, który zostanie umieszczony w przestrzeni kosmicznej w 2034 roku[7]. W grudniu 2015 wystrzelono sondę LISA Pathfinder, której zadaniem jest przetestowanie technologii, które zostaną zastosowane w przyszłości w misji eLISA[8].

Zobacz też[edytuj]

Uwagi

  1. Po polsku: Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych (Odkrycie fal grawitacyjnych 100 lat po tym, jak przewidział je Einstein, PAN; Odkrycie fal grawitacyjnych, [Uniwersytet Warszawski]).

Przypisy

  1. LIGO: The Shakedown Continues (ang.).
  2. About LIGO (ang.). [dostęp 2015-12-19].
  3. Tomasz Kwast: LIGO – nadzieja na detekcję fal grawitacyjnych (pol.). [dostęp 2010-07-15]. s. 1.
  4. Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction (ang.). Caltech, 2016-02-11. [dostęp 206-02-11].
  5. Jennifer Chu: Scientists make first direct detection of gravitational waves (ang.). MIT, 2016-02-11. [dostęp 2016-02-11].
  6. Młody Technik, "Fale grawitacyjne wykryte, nareszcie!", 4/2016, str.8,9
  7. Selected: The Gravitational Universe - ESA decided on next Large Mission Concepts (ang.). W: eLISA [on-line]. Max Planck Institute for Gravitational Physics, 2013-11-27. [dostęp 2016-02-14].
  8. LISA Pathfinder (ang.). W: NSSDC Master Catalog [on-line]. NASA. [dostęp 2016-02-14].

Bibliografia[edytuj]

  • Tomasz Rożek. Wąchanie Wszechświata. „Numer specjalny „Wiedzy i Życia” – Tajemnice Wszechświata”. Prószyński Media. ISSN 0137-8929 (pol.). 

Linki zewnętrzne[edytuj]