LIVINGSTON, La. - Asi kilometr a půl od budovy tak velké, že ji můžete vidět z vesmíru, každé auto na silnici zpomaluje k procházení. Řidiči vědí, že berou rychlostní limit 10 km / h (16 km / h) velmi vážně: Je to proto, že v budově je umístěn masivní detektor, který loví nebeské vibrace v nejmenším měřítku, jaký se kdy pokusil. Není divu, že je citlivý na všechny pozemské vibrace v okolí, od rachotů projíždějícího auta po přírodní katastrofy na druhé straně zeměkoule.
V důsledku toho musí vědci, kteří pracují na jednom z detektorů LIGO (Gravitační vlnová observatoř s laserovým interferometrem), jít do mimořádných délek, aby zhasli a odstranili všechny potenciální zdroje hluku - zpomalili provoz kolem detektoru a monitorovali každý nepatrný třes zem, dokonce pozastavení vybavení z čtyřnásobného kyvadlového systému, který minimalizuje vibrace - to vše ve snaze vytvořit nejtišší "vibrační místo na Zemi.
„Všechno je o lovu hluku,“ řekla Janeen Romie, vedoucí detektorsko-inženýrské skupiny v detektoru LIGO v Louisianě.
Proč jsou fyzici LIGO tak posedlí odstraňováním hluku a vytvářením místa bez vibrací na planetě? Abyste to pochopili, musíte vědět, jaké jsou gravitační vlny a jak je LIGO detekuje. Podle obecné relativity jsou prostor a čas součástí stejného kontinua, které Einstein nazýval časoprostorem. A v časoprostoru mohou rychle zrychlující masivní objekty produkovat gravitační vlny, které vypadají jako vlnky, které vyzařují ven, když je na povrch rybníka spadl oblázek. Tyto vlny odhalují roztažení a kontrakci struktury samotného vesmíru.
Jak měříte změny v samotném časoprostoru, když by jakékoli měřicí zařízení zaznamenalo stejné změny? Geniální řešení je to, co se nazývá interferometr. Spoléhá se na skutečnost, že gravitační vlny se protahují časoprostorem v jednom směru, zatímco se smršťují v kolmém směru. Pomyslete na bóje na vodě: Když vlna přejde, houpe se nahoru a dolů. V případě gravitační vlny vyzařující napříč Zemí vše osciluje tak mírně tam a zpět, namísto nahoru a dolů.
Detektor LIGO je tvořen laserovým světelným zdrojem, děličem paprsků, několika zrcadly a detektorem světla. Světlo opouští laser, pomocí rozdělovače paprsků se rozdělí na dva kolmé paprsky a potom cestuje stejnou vzdáleností dolů po interferometru ke dvěma zrcadlům, kde se světlo odrazí zpět dolů po ramenech. Oba paprsky pak zasáhly detektor, který je umístěn naproti jednomu z reflexních zrcadel. Když gravitační vlna prochází interferometrem, dělá jednu z ramen o něco delší a druhou o něco kratší, protože se protahuje prostorem v jednom směru a zároveň jej komprimuje v jiném. Tato nekonečně malá změna se registruje ve vzorci světla dopadajícího na světlo detektor. Úroveň citlivosti LIGO je ekvivalentní „měření vzdálenosti k nejbližší hvězdě (asi 4,2 světelných let) s přesností menší než je šířka lidských vlasů“, podle webových stránek spolupráce LIGO.
Aby vědci dokázali odhalit vlnu šířky vlasů, odcházejí do extrémních délek, aby eliminovali případné poruchy tohoto jemně vyladěného nastavení, řekl Carl Blair, postdoktorský výzkumný pracovník v LIGO, který studuje optomechaniku nebo interakci světla s mechanickými systémy.
Nejprve jsou 4 míle dlouhé zbraně v jednom z nejdokonalejších vysavačů na světě, což znamená, že je téměř bez molekul, takže nic nemůže rušit dráhu paprsku. Detektory jsou také obklopeny nejrůznějšími zařízeními (například seismometry, magnetometry, mikrofony a gama detektory), které měří poruchy dat a odstraňují je.
Všechno, co by mohlo interferovat nebo být nesprávně interpretováno jako signál gravitační vlny, musí být také loveno a odstraněno, řekl Blair. To zahrnuje nedokonalosti v samotném detektoru - tzv. Šum - nebo ne astrofyzikální poruchy, které nástroj zachytí - tzv. Závady. Fyzici musí dokonce počítat s vibracemi atomů, které tvoří zrcadlo detektoru, a náhodnými výkyvy proudu v elektronice. Ve větším měřítku mohou být závady cokoli od projíždějícího nákladního vlaku po žíznivého havrana.
A závady mohou být opravdu choulostivé na nehty. Když se Arnaud Pele připojil k týmu detektorů a inženýrů v LIGO, byl pověřen, aby zjistil, odkud přichází zvlášť rušivé rušení: přístroje, které měřily pohyb země kolem detektorů gravitačních vln, nezaznamenávaly konstantní špičku, a nikdo věděl proč. Po několika měsících pronikavého spánku našel viníka: nenápadnou skálu umístěnou mezi zemí a některými mechanickými pružinami pod ventilačním systémem. Kvůli skále nemohly pružiny zabránit detekci vibrací ventilátoru v detektoru, což způsobilo tajemný signál. „Je to opravdu zábavná součást mé práce, dělám ty detektivní věci,“ řekl Pele. "Většinou jsou to jednoduchá řešení." Při hledání nekonečně malých vibrací z dálky vesmíru může být skutečná práce velmi nízká na Zemi.
Nejdůležitější jsou možná tři detektory: Kromě jednoho v Louisianě je ještě jeden v Hanfordu ve Washingtonu a třetí v Itálii: „Pokud je něco skutečné, musí vypadat stejně ve všech detektorech,“ řekl člen spolupráce LIGO Salvatore Vitale, docent fyziky na MIT. Pokud se jedná o nákladní vlak nebo skálu pod pramenem, zobrazí se pouze v jednom ze tří detektorů.
Díky všem těmto nástrojům a některým velmi sofistikovaným algoritmům jsou vědci schopni kvantifikovat pravděpodobnost, že signál je skutečně gravitační vlnou. Mohou dokonce vypočítat rychlost falešných poplachů pro danou detekci nebo možnost, že by se náhodný přesný signál objevil. Například jedna z událostí z počátku tohoto léta měla falešnou poplachovou frekvenci méně než jednou za 200 000 let, což z ní učinilo mimořádně přesvědčivého kandidáta. Budeme však muset počkat, až skončí konečný rozsudek.
Hlášení tohoto článku bylo částečně podpořeno grantem Národní vědecké nadace.
