LIGO czyli.. obserwatorium fal grawitacyjnych!

hanford_ligo_960
Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych

Słyszeliście może o falach grawitacyjnych ? Nie ? A więc spróbuję pokrótce przedstawić Wam o co w tym wszystkim chodzi…

Albert Einstein tworząc ogólną teorię względności przewidział, że skutkiem ruchu obiektów obdarzonych masą powinna być fala.. fala grawitacyjna. Fale te są niczym innym jak zaburzeniami czasoprzestrzeni. Im większa będzie masa obiektu i szybszy jej ruch, tym analogicznie obserwowana fala powinna być łatwiejsza do wychwycenia.

Wavy

No właśnie ale jak zabrać się za wykrycie tego typu fali ? Joseph Tylor oraz Russel Hulse w 1974 roku obserwując dwa okrążające się pulsary PSR 1913+16 ogłosili coś, za co w 1993 roku otrzymali Nagrodę Nobla, a co było swoistym pośrednim potwierdzeniem istnienia fal grawitacyjnych, a tym samym Ogólnej Teorii Względności. Panowie Hulse i Tylor zauważyli, że obserwowany przez nich układ traci energię wywołując zaburzenia czasoprzestrzeni. Bingo! Ale wciąż brakowało dowodów z pomiarów bezpośrednich. W 1992 roku naukowcy z Caltech oraz MIT wpadli na pomysł budowy ziemskiego detektora fal grawitacyjnych, którego budowa rozpoczęła się w 1996 roku i została ukończona cztery lata później w roku 2000.

Co tak naprawdę planowali naukowcy ? Jaki mechanizm stoi za detektorem fal grawitacyjnych ? Przyjrzyjmy się bliżej…

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) to tak naprawdę dwa identyczne obserwatoria. Otóż przy detekcji tego typu fal największym problemem okazują się zakłócenia, choćby takie jak przelot samolotu, czy jakiekolwiek drgania sejsmiczne.

Schemat_detektora_interferometrycznego_LIGO.svg

Dwie identyczne rury o długości około 4 kilometrów, stykające się ze sobą pod kątem prostym. Rozdzielacz wiązki w miejscu styku odpowiada za skierowanie wiązek w każdy z tuneli w tym samym czasie. Wiązki te odbijane są tam i z powrotem około 100 razy by wyeliminować ewentualne błędy pomiarowe, na końcu trafiają do fotodetektora, dwie wiązki zostają porównane a następnie za pomocą zjawiska interferencji wyliczona zostaje różnica dróg przebytych przez obydwie wiązki. Jeśli przez ziemię przeszła fala grawitacyjna, to powinna być zaobserwowana różnica między drogami przebytymi przez wiązki. Problemem przy detekcji jest wpływ fal na drogę przebytą przez wiązkę. Otóż mówimy tutaj o wielkościach rzędu… jedna tysięczna średnicy.. protonu! W momencie kiedy wchodzimy w tego typu dokładności pomiarowe, wiemy już, że kluczem są zakłócenia, a właściwie ich wyeliminowanie! Z tego też powodu LIGO istnieje w dwóch identycznych wersjach oddalonych od siebie o około 3 tysiące kilometrów (jedno w stanie Waszyngton, a drugie w stanie Luizjana). Dzięki czemu ewentualne różnice powinny być zauważone w dwóch  obserwatoriach.

Pomimo prób do tej pory nie wykryto bezpośrednio fal grawitacyjnych, dlatego też w 2008 roku postanowiono udoskonalić instrument i zwiększyć jego dokładność 10-cio krotnie. Ponowne wznowienie pomiarów nastąpiło we wrześniu 2015 roku, czyli dosyć niedawno. Na efekty przyjdzie nam jeszcze chwilę poczekać. Polepszanie zdolności tego typu detektorów to bardzo trudna sprawa, dlatego też pierwsze pomiary wykonane 18 września 2015 roku, były około 4 razy dokładniejsze niż ich poprzednia wersja. Natomiast pełna w pełni operacyjna czułość (10-cio krotna w porównaniu do poprzedniej wersji) planowana jest dopiero na około 2021 rok.

Fig_aligo_sensitivity

Ciekawym projektem, którego start przewidziany jest dopiero w 2034 roku(!) jest projekt eLISA (extended Laser Interferometer Space Antenna). Ma on w dużym skrócie dokonać podobnych pomiarów (również opartych o metodę interferometryczną) ale w kosmosie. Wystarczy pomyśleć o dokładności pomiarowej o której wspomnieliśmy wcześniej, aby zdać sobie sprawę jak trudny jest to technicznie projekt.

Orbity satelitów LISA dobrane są tak, by utrzymywać stałą odległość pomiędzy nimi przez cały okres obiegu, pomimo zmian ich wzajemnej orientacji
Orbity satelitów LISA dobrane są tak, by utrzymywać stałą odległość pomiędzy nimi przez cały okres obiegu, pomimo zmian ich wzajemnej orientacji

3 grudnia 2015 roku ESA wystrzeliła z Gujany Francuskiej satelitę LISA Pathfinder, który ma przetestować rozwiązania techniczne dotyczące możliwości kontrolowania położenia satelity z wymaganą dokładnością. Analizy z tego instrumentu rozpoczną się już w marcu 2016 roku, z pewnością będziemy śledzić wyniki i nie omieszkamy was o tym poinformować!

11 lutego, planowana jest konferencja na której możliwe jest potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych! Plotki z początku rozpowszechniane przez Lawrence’a Kraussa przez twittera jakoby LIGO wykryło fale grawitacyjne, 3 lutego zostały lekko uwiarygodnione (tylko plotki i to pośrednio..) przez Cliffa Burgessa, który także twierdzi (powołując się na wewnętrzne źródła w LIGO), że naukowcy z LIGO zaobserwowali fale grawitacyjne z układu binarnego dwóch łączących się czarnych dziur, dwa detektory niezależnie wykryły je zgodnie z przewidywaniami. Masy czarnych dziur to odpowiednio 29 i 36 mas słońca oraz 62 masy po złączeniu. Sygnał był podobno spektakularny. Zaznaczamy, iż póki co są to tylko plotki i nie potwierdzone oficjalnie informacje. Tym niemniej poinformujemy was o wynikach 11 lutego, gdyż ewentualne potwierdzenie tej plotki to niemalże pewniak do Nagrody Nobla.

  • Emil

    Nie wspomniałeś o plotkach jakie Lawrence Krauss ostatnio rozpowszechnia. Mówią one, że LIGO wykrył fale grawitacyjne. Planowana jest konferencja 11 lutego na której prawdopodobnie je potwierdza (albo je zaprzecza).

    • Radosław Kosarzycki

      Masz rację, ale to nie byłby pierwszy fałszywy alarm. Też uważamy, że tym razem może to być to – wszak drugi raz nikt raczej nie próbowałby zbyt pochopnie wyskoczyć z takim wnioskiem. Ale nie uprzedzajmy faktów. Będzie konferencja – będą wiadomości. 🙂 Niemniej jednak – dzięki za czujność.

    • Dokładnie, poczekajmy i wtedy będziemy mogli coś więcej powiedzieć. Nie bez powodu chcemy zwrócić uwagę na LIGO 😉 A co do tego typu plotek, to wpisy z twittera i komentarze pod http://www.iflscience.com/physics/gravitational-wave-rumors-running-hot dobrze oddają nasze zdanie w tym temacie 🙂 Tym nie mniej jeśli już o tym wspomnieliśmy to należała się aktualizacja 😉

      • Emil

        No to widzę, że trzymacie rękę na „pulsie”. Lekki teaser by się przydał IMHO ale zostawiam to w Waszych rękach 🙂 Artykuł ekstra! Dzięki