COLUMBUS, Ohajas - 2,5 mylių ilgio gravitacinių bangų detektorius nėra kietas. Žinai, kas šaunu? 25 mylių ilgio gravitacinių bangų detektorius.
Tai yra pokalbių, įvykusių šeštadienį (balandžio 14 d.), Amerikos fizikų draugijos balandžio mėnesio susirinkime, rezultatas. Naujos kartos gravitacinių bangų detektoriai bus nukreipti tiesiai į išorinį stebimos visatos kraštą, ieškodami bangelių pačiame erdvės laiko audinyje, kuris, Einsteino manymu, atsiras susidūrus su tokiais masyviais objektais kaip juodosios skylės. Bet vis dar yra keletas rimtų iššūkių, susijusių su jų statyba, - pranešėjai pasakojo klausytojams.
„Dabartiniai detektoriai, kurie, jūsų manymu, yra labai jautrūs“, - susirinkusiems pasakojo MIT fizikas Matthew Evansas. "Ir tai tiesa, tačiau jie taip pat yra mažiausiai jautrūs detektoriai, kuriais galite aptikti gravitacines bangas."
Dabartiniai detektoriai, žinoma, nėra ko čiaudėti. Kai 2,5 mylios (4 kilometrų) lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (LIGO) pirmą kartą aptiko, kad erdvės laikas auga ir mažėja, dar 2015 m. - 1,3 milijardo metų senumo dviejų juodųjų skylių susidūrimo gravitacinis aidas - tai įrodė milžiniškų, nematomų gravitacinių bangų, kurios kadaise buvo visiškai teorinės, egzistavimą ir per dvejus metus LIGO kūrėjams suteikė Nobelio premiją.
Tačiau LIGO ir jos pusbrolis, 1,9 mylios ilgio (3 km) itališkas instrumentas „Virgo“, yra iš esmės riboti, sakė pranešėjai. Abu detektoriai tik iš tikrųjų sugeba pastebėti gravitacines bangas iš objektų, kurie yra palyginti netoli Žemės, visos visatos masteliu, sakė MIT fizikas Salvatore Vitale. Jiems taip pat yra ribotas objektų, kuriuos jie gali aptikti, tipai.
Iki šiol išties buvo tik du pagrindiniai dabartinės interferometrų kartos rezultatai: 2015 m. Aptiktas juodosios skylės susijungimas ir 2017 m. Rugpjūčio mėn. Aptiktos dvi susidūrusios neutroninės žvaigždės (taip pat karšta tema konferencijoje). Aptikta dar keleto juodųjų skylių susidūrimų, tačiau jie nedavė daug įspūdingiausių rezultatų, atsiradusių po pirmojo aptikimo.
Sukurkite padidintus, tikslesnius LIGO ir „Virgos“ arba kitokio tipo didelio masto detektorius, vadinamus „Einšteino teleskopu“, sakė Evansas, o bangų aptikimo greitis gali šokinėti nuo vieno kas kelis mėnesius iki daugiau nei 1 milijono kiekvienais metais. .
„Kai sakau, kad šie detektoriai mus išveda į visatos kraštą, turiu omenyje, kad jie gali aptikti beveik kiekvieną dvejetainę sistemą, kuri susijungia“, - sakė jis, minėdamas žvaigždžių, juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių poras, kurios susiduria.
Tai reiškia galimybę aptikti juodąsias skyles nuo pat ankstyvųjų Visatos metų, ištirti giluminius gravitacijos slėpinius ir net potencialiai pirmą kartą aptikti žvaigždės, einančios ant supernovos ir griūvančios į neutroninę žvaigždę ar juodąją skylę, gravitacines bangas. .
Didesnis yra geresnis
Taigi kodėl didesni detektoriai sukelia jautresnes gravitacinių bangų paieškas? Norėdami tai suprasti, turite suprasti, kaip šie detektoriai veikia.
LIGO ir Mergelė, kaip anksčiau skelbė „Live Science“, iš esmės yra milžiniškos L formos valdovai. Du tuneliai išsišakoja stačiu kampu vienas nuo kito, naudodamiesi lazeriais, kad tunelių ilgiai būtų ypač tikslūs. Kai gravitacinė banga praeina per detektorių, pati besikeičianti erdvė, tas ilgis keičia mažytį. Tai, kas kažkada buvo mylia, trumpai tampa šiek tiek mažesnė už mylią. Ir lazeris, šiek tiek greičiau įveikęs tą trumpesnį atstumą, rodo, kad pokytis įvyko.
Tačiau to, koks puikus gali būti šis matavimas, yra riba. Dauguma bangų lazeriu plaka labai silpnai, kad interferometrai galėtų tai pastebėti. Evanso teigimu, patobulinus aptikimo technologiją esamuose „LIGO“ ir „Mergelės“ tuneliuose, padėtį galima šiek tiek pagerinti, ir Evansas teigė, kad yra planų tai padaryti. Tačiau, pasak signalo, norint iš tikrųjų sustiprinti signalą, galima pasirinkti tik daug didesnį garsą.
Kitas žingsnis yra L formos detektorius su 24,86 mylių ilgio (40 km) ginklais, 10 kartų didesniais už LIGO, sakė Evansas. Pasiūlymą jis pavadino „kosmoso tyrinėtoju“. Jis teigė, kad tai būtų pakankamai didelis aptikti beveik viską, ką gravitacinių bangų detektorius galėtų aptikti, tačiau jis nėra toks didelis, kad pagrindinė fizika pradėtų subyrėti ar išlaidos pasidarytų nepaprastai didelės, net ir tokio tipo akis varginančiam brangiam mokslui projektas. (Galutinė LIGO kaina siekė šimtus milijonų dolerių.)
Taigi kodėl tokio dydžio detektorius, o ne du kartus ar 10 kartų didesnis?
Evansas teigė, kad tam tikru metu, maždaug 40 km atstumu, maždaug 24,86 mylios (40 km) ilgio, šviesa pereina nuo vieno tunelio galo į kitą tiek, kad eksperimentas gali tapti miglotas, todėl rezultatai tampa ne tokie tikslūs, o daugiau.
Bent jau tokios sunkios yra išlaidos. LIGO ir Mergelė yra pakankamai maži, kad Žemės kreivumas nebuvo rimtas statybų iššūkis, sakė Evansas. Bet 24,86 mylių (40 km) atstumu per ranką kiekvieno tunelio galo pastatymas žemės lygyje reiškia, kad tunelių centrai turi būti 98,43 pėdų (30 metrų) po žeme (darant prielaidą, kad žemė yra visiškai lygi).
„Virš 40 kilometrų, - sakė Evansas, - sunkvežimių nešvarumų atstumas pradeda viršyti išlaidas“.
Taip pat kyla pagrindinė problema rasti pakankamai didelę butą tuščioje vietoje, kad būtų galima pastatyti tokį didelį detektorių. Evansas teigė, kad iš esmės niekur Europoje nėra pakankamai daug, o JAV galimybės apsiriboja Didžiojo druskos ežero Juta ir Juodosios uolos dykuma Nevadoje regionu.
Šie kosminiai iššūkiai skatina alternatyvų masyvų gravitacinių bangų detektorių, vadinamą Einšteino teleskopu. Nors Evansas teigė, kad L forma yra geriausias būdas išmatuoti gravitacinę bangą, trikampis su trim tuneliais ir keliais detektoriais gali atlikti beveik tiek pat gerą darbą užimdamas daug mažesnę erdvę, idealiai tinkančią Europos geografiniams apribojimams.
Šie detektoriai vis dar yra nuo 15 iki 20 metų nuo jų baigimo, sakė „Vitale“, o visos technologijos, reikalingos jiems sukurti, dar nebuvo išrastos. Vis dėlto jis ir Evansas susirinkusiems mokslininkams sakė, kad „dabar laikas“ pradėti juos dirbti. Jau sakė „Vitale“, kad yra aštuonios darbo grupės, rengiančios ataskaitą apie tokių masinių prietaisų mokslinį pagrindimą, kuris turėtų būti paskelbtas 2018 m. Gruodžio mėn.
Vienas auditorijos narių paklausė Evanso, ar prasminga statyti, tarkime, 5 mylių ilgio (8 km) detektorių, o tikras „Cosmic Explorer“ ar viso masto Einšteino teleskopas lieka daugiau nei dešimtmetį.
Jei jis būtų finansavimo komitete, jis nepatvirtintų tokio projekto, nes dviguba LIGO dydžio mokslinė nauda nėra tokia didelė, sakė Evansas. Jis pridūrė, kad tokio projekto išlaidos bus pagrįstos tik viršutinėmis tunelio dydžio ribomis.
„Nebent aš to nežinojau, jei dėl kokių nors priežasčių to nežinojau“, - sakė jis.
Vis dėlto, pasak Vitale, tai nereiškia, kad mokslininkams reikės laukti 15-20 metų kito pagrindinio gravitacinių bangų rezultatų etapo. Kadangi internete yra daugiau dabartinio masto detektorių, įskaitant Mergelės dydžio Kamiokos gravitacinių bangų detektorių (KAGRA) Japonijoje ir LIGO dydžio LIGO Indijoje, o tobulėjant esamiems detektoriams, tyrėjai turės galimybę išmatuoti atskiras gravitacines bangas. iš daugiau kampų vienu metu, kad būtų galima aptikti daugiau ir padaryti išsamesnes išvadas apie tai, iš kur jie kilę.
