COLUMBUS, Ohio - Gravitační vlnový detektor dlouhý 2,5 mil není v pohodě. Víš, co je v pohodě? Detektor gravitační vlny dlouhý 25 kilometrů.
To je výsledek řady rozhovorů, které se zde konaly sobotu (14. dubna) na dubnovém zasedání americké fyzické společnosti. Příští generace detektorů gravitačních vln se bude dívat až k vnějšímu okraji pozorovatelného vesmíru a bude hledat vlnky v samé struktuře časoprostoru, k níž by Einstein předpověděl, že by nastal, když by se srazily masivní objekty, jako jsou černé díry. Jejich výstavbě však stále stojí několik významných výzev, uvedli přednášející divákům.
„Aktuální detektory, o kterých si myslíte, že jsou velmi citlivé,“ řekl Matthew Evans, fyzik z MIT, publiku. "A to je pravda, ale jsou to také nejméně citlivé detektory, pomocí kterých můžete detekovat gravitační vlny."
Aktuální detektory, samozřejmě, nemají co kýchat. Když v roce 2015 poprvé detekovala gravitační vlnová observatoř LIGO s délkou 2,5 km (4 km) gravitační vlnová observatoř (LIGO) - gravitační ozvěna 1,3 miliardy let staré kolize mezi dvěma černými dírami - prokázala existenci obrovských, neviditelných gravitačních vln, které byly kdysi zcela teoretické, a vedla během pouhých dvou let k Nobelově ceně pro tvůrce LIGO.
Ale LIGO a jeho bratranec, italský nástroj Panna dlouhá 1,9 km (3 km), jsou zásadně omezeni, uvedli mluvčí. Oba detektory jsou skutečně schopny spatřit gravitační vlny z objektů, které jsou relativně blízko Země na stupnici celého vesmíru, řekl fyzik MIT Salvatore Vitale. Jsou také omezeny na typy objektů, které mohou detekovat.
Dosavadní generace interferometrů doposud skutečně zaznamenala pouze dva hlavní výsledky: zjišťování fúzí černých děr v roce 2015 a zjišťování dvou srážek neutronových hvězd v srpnu 2017 (také horké téma na konferenci). Bylo zjištěno několik dalších kolizí černé díry, ale nenabízely mnoho ve způsobu ohromujících výsledků na první detekci.
Sestavte zvětšené, přesnější LIGO a Virgos nebo jiný druh velkoplošného detektoru nazývaného „Einsteinův dalekohled“, řekl Evans a rychlost detekce vln by se mohla každoročně pohybovat z jednoho každých pár měsíců na více než 1 milion. .
„Když říkám, že nás tyto detektory dostaly na okraj vesmíru, myslím tím, že dokážou detekovat téměř každý binární systém, který se slučuje,“ řekl s odkazem na dvojice hvězd, černé díry a neutronové hvězdy, které se sbíhají.
To znamená, že je možné detekovat černé díry od samého počátku vesmíru, zkoumat hluboké záhady gravitace a dokonce poprvé detekovat gravitační vlny hvězdy, která prochází supernovou a zhroutí se do neutronové hvězdy nebo černé díry .
Větší je lepší
Proč tedy větší detektory vedou k citlivějšímu vyhledávání gravitačních vln? Abychom tomu porozuměli, musíte pochopit, jak tyto detektory fungují.
LIGO a Panna jsou, jak Live Science již dříve uvedla, v podstatě obří pravítka ve tvaru písmene L. Dva tunely se od sebe rozkládají v pravém úhlu a pomocí laserů provádějí extrémně jemné měření délky tunelů v jednotlivých okamžicích. Když prochází detektorem gravitační vlna, která sama o sobě kroutí, tato délka se trochu změní. To, co bylo kdysi míle, se krátce stane o něco méně než míle. A laser, který prochází touto kratší vzdáleností o něco rychleji, ukazuje, že ke změně došlo.
Existuje však omezení, jak jemné může být toto měření. Většina vln vlní laser příliš lehce, aby si interferometry všimly. Evans řekl, že zlepšení technologie detekce ve stávajících tunelech LIGO a Panna může do jisté míry zlepšit záležitosti, a existují plány na to. Ale opravdu zesílit signál, řekl, jedinou možností je jít mnohem větší.
Dalším krokem je detektor ve tvaru L s rameny dlouhými 40 km (10 km) než LIGO, řekl Evans. Návrh nazval „kosmickým průzkumníkem“. Bylo by dost velké na to, aby bylo možné detekovat téměř cokoli, co by mohl detekovat gravitační vlnový detektor, ale ne tak velký, že by se základní fyzika začala rozpadat nebo aby se náklady staly neuvěřitelně vysoké, a to i pro tento druh vědy krvácející drahé vědy. projekt. (Konečné náklady na LIGO narazily na stovky milionů dolarů.)
Tak proč detektor této velikosti, spíše než dvakrát nebo 10krát větší?
Evans řekl, že v určitém bodě, asi 40 km dlouhém, se světlo pohybuje z jednoho konce tunelu na druhý tak dlouho, že experiment může být nejasný, takže výsledky jsou spíše přesnější než více.
Náklady jsou přinejmenším stejně náročné. LIGO a Panna jsou dostatečně malé, aby zakřivení Země nebylo významnou stavební výzvou, řekl Evans. Ale při 40 km na rameno, umístění konců každého tunelu na úroveň terénu znamená, že středy tunelů musí být ve výšce 30 metrů pod zemí (za předpokladu, že je země dokonale vodorovná).
"Přes 40 kilometrů," řekla Evans, "náklady na přepravu nečistot začínají přebírat náklady."
Je zde také základní problém najít plochý prázdný prostor dostatečně velký na vybudování tak velkého detektoru. Evans řekl, že v Evropě není v podstatě nikde dost velký, a ve Spojených státech jsou možnosti omezeny na oblast Velkého solného jezera v Utahu a poušť Black Rock v Nevadě.
Tyto vesmírné výzvy jsou hnací silou konstrukce masivního gravitačního vlnového detektoru, zvaného Einsteinův dalekohled. Zatímco tvar L je nejlepším způsobem měření gravitační vlny, Evans řekl, že trojúhelník se třemi tunely a vícenásobnými detektory může dělat téměř stejně dobrou práci, zatímco zabírá mnohem menší prostor, ideální pro geografická omezení Evropy.
Tyto detektory jsou stále 15 až 20 let od dokončení, řekl Vitale a veškerá technologie nezbytná pro jejich sestavení nebyla dosud vynalezena. Přesto, on a Evans oba řekli shromážděným vědcům, že „nyní nastal čas“ na nich začít pracovat. Vitale již řekl, že existuje osm pracovních skupin, které připravují zprávu o vědeckém zdůvodnění těchto masivních zařízení, která by měla být vydána v prosinci 2018.
Jeden člen publika se zeptal Evansa, zda má smysl postavit, řekněme, 5 mil dlouhý (8 km) detektor, zatímco skutečný kosmický průzkumník nebo Einsteinův dalekohled v plném měřítku je vzdálený více než deset let.
Kdyby byl ve finančním výboru, takový projekt by neschválil, protože vědecké výnosy ze zdvojnásobení velikosti LIGO prostě nejsou tak velké, řekl Evans. Náklady na takový projekt by byly ospravedlnitelné pouze na horní hranici velikosti tunelu, dodal.
„Pokud jsem to nevěděl z nějakého důvodu, prostě to nestojí za to,“ řekl.
Přesto Vitale řekl, že to neznamená, že vědci musí čekat 15 až 20 let na další hlavní fázi výsledků gravitačních vln. Jakmile bude více detektorů v současném měřítku připojeno k internetu, včetně gravitačního vlnového detektoru Kamioka (KAGRA) v Japonsku a LIGO-Indie, a jak se stávající detektory zlepší, budou mít vědci příležitost měřit jednotlivé gravitační vlny z více úhlů najednou, což umožňuje více detekce a podrobnější závěry o tom, odkud pocházejí.
