LIGO: تحديد الموجات الثقالية بدقة البصريات

رؤية الجاذبية: كيف يكتشف LIGO الموجات الثقالية

تاريخ علم الفلك مرتبط بالتقدم في التلسكوبات، مما يكشف عن المزيد من الكون لنا. بدأ الأمر مع تلسكوب جاليليو البدائي والمؤسسين الآخرين، ويستمر حتى اليوم.

لقد غطينا العديد من مشاريع التلسكوب الجديدة، على سبيل المثال:

• DKIST، أقوى تلسكوب شمسي في العالم.
• تلسكوب جيمس ويب الفضائي، يقع على بعد ملايين الأميال من الأرض.
• مرصد فيرا سي روبن، تلسكوب مسح يبحث في سماء كاملة في نفس الوقت.
• SKAO (مассив كيلومتر مربع)، يدرس السماء في طيف الموجات الراديوية.
• DUNE (تجربة نيوترون تحت الأرض)، يكتشف نيوترونات خفيّة.

ت出现 نوع جديد من علم الفلك، يدرس الكون بطريقة جديدة تمامًا: بدلاً من الضوء وطول موجة الموجات الكهرومغناطيسية، يقيس الموجات الثقالية.

لم تكن الموجات الثقالية سوى نظرية حتى فترة قريبة، الآن أصبحت ظاهرة مثبتة. هناك مشروع يبحث في طرق قياسها: مصهر ليزر الموجات الثقالية (LIGO).

قياس الجاذبية مع علم الفلك الموجي الثقالي

كانت الجاذبية تعتبر قوة أساسية للكون، مثل الكهرومغناطيسية أو القوة التي تدفع القوى النووية على مستوى الذرات.

لكن في بداية القرن العشرين، وصف نظرية أينشتاين النسبية الجاذبية على أنها انحناء في الفضاء-الزمن.

نظرية أينشتاين لا تصف فقط كيف تعمل الجاذبية للكائنات الكبيرة مثل النجوم، ولكنها تنبأت أيضًا بظواهر فضائية لم تكتشف بعد، مثل النجوم النابضة والثقوب السوداء.

تنبأت النظرية أيضًا بموجات الجاذبية، مما يسبب انكماشًا وانتشارًا في الفضاء-الزمن مثل موجات تنتشر على سطح البحيرة.

على عكس موجة ضوئية عادية أو حتى موجة مائية في المحيط، لا تحمل موجة الجاذبية جسيمات. بدلاً من ذلك، تحدث موجة الجاذبية عندما تهتز أو تتراقص بنية الفضاء-الزمن نفسها.

من المحتمل أن يكون هناك حدث كبير بما يكفي لإنشاء موجات جاذبية قوية بما يكفي لقياسها، مثل اصطدام ثقبين أسودين.

ومع ذلك، بغض النظر عن قوة هذا الظاهرة في المصطلحات المطلقة، فإن المسافة الهائلة بين الأرض ومصدرها، وصعوبة محاولة قياس الفضاء-الزمن نفسه، تعني أن أداة فائقة الحساسية يجب تصميمها لاكتشاف هذه الأحداث.

عندما تصل الموجات الثقالية إلى الأرض، على بعد ملايين أو مليارات السنين الضوئية، تكون آلاف المليارات من المرات أصغر.

هذا هو السبب في أن أداة مثل LIGO ستكون مفهومة.

للموجات الثقالية من أول اكتشاف لليغو، كانت كمية انحناء الفضاء-الزمن التي أنتجتها 10,000 مرة أصغر من نواة الذرة!

كيف يكتشف الموجات الثقالية بواسطة干渉ومتر

كان أول دليل غير مباشر على الموجات الثقالية من دراسة مدار النجم النابض الثنائي. تطابق خسارة طاقة الاضمحلال المداري مع الطاقة المتوقعة التي ستفقد بسبب توليد الموجات الثقالية، فاز العلماء المسؤولون عن هذا الاكتشاف بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1993.

مصدر: جائزة نوبل

القياس المباشر يتطلب نوعًا مختلفًا من الدليل، باستخدام مقياس التداخل. الفكرة الأساسية لمقياس التداخل هي استخدام التفاعل بين حزم الضوء. إذا كانت حزمتان من الضوء لهما نفس الطول الموجي، فسيتم تلافيانهما وسيخلقان نمطًا من البقع الداكنة وال明يرة.

ولكن إذا تغيرت هذه الأطوال الموجية، يمكن قياس الإزعاج.

نظرًا لأن توسع وانكماش الفضاء-الزمن من الموجات الثقالية يوسعان وينكمشان أحد أذرع مقياس التداخل أكثر من الآخر، فإن هذا يخلق تأثيرًا قابلًا للقياس والقابل للقياس للموجات الثقالية.

LIGO – إنجاز فائز بجائزة نوبل

ببساطة، يتكون LIGO من ذراعين طويلين، مع إرسال ضوء عبرهما، كل ذراع يبلغ طوله 4 كم، أو 2.5 ميل. يساعد حجم الذراع في اكتشاف حتى التغييرات الدقيقة، حيث أن أطول الأذرع، تكون القياسات أصغر.

يتم إرسال شعاع ليزر عبر ذراع مقياس التداخل، والذي يتم تقسيمه إلى قسمين. يتم بعد ذلك عكس كل شعاع مرة أخرى بعد اصطدامه بمirror.

عندما يتم إلغاء كل شعاع ليزر الآخر.

لكن إذا تم تقليل أو توسيع أحد الأذرع أكثر من الآخر بواسطة موجة ثقالية، فإن التداخل بين أشرطة الضوء يتوقف، ويتعرف على إشارة ضوئية.

مصدر: جائزة نوبل

في عام 2015، أكد مشروع LIGO التابع لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية على اكتشاف الموجات التي أنتجها اصطدام الثقوب السوداء على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.

كلف هذا العمل الرائد علماء الفيزياء رينر فايس وباري باريش وكيب ثورن بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017.

بناء LIGO

في المبدأ، يعتبر LIGO مفهومًا بسيطًا، وهو مفهوم يسهل فهمه بمجرد أن نستطيع فهم مفهوم الموجات الثقالية وبحد أدنى من فهم الضوء والليزر.

بناء نظام دقيق بما يكفي لاكتشاف تباين في الطول 1/10,000 من الذرة هو قصة أخرى.

تم بناء منشأتين متشابهتين، واحدة في الشمال الغربي للولايات المتحدة وواحدة في لويزيانا، على بعد حوالي 3000 كم (1860 ميل).

مصدر: جائزة نوبل

تعمل المنشأة المزدوجة كتأكيد، حيث أن المسافة الكبيرة بينهما تعني أن موجة الجاذبية سوف يكون لها تأخر زمني لمدة سبع ثوان بين الاثنين، مع توليد نفس الإشارة.

لذلك، في حين أن اكتشافًا واحدًا قد يعتبر دائمًا خطأ أو اضطرابًا محليًا، فإن نفس الشيء يحدث على كلا جانبي الولايات المتحدة في الفترة الزمنية المتوقعة، وهو أمر مستحيل تقريبًا.

توفير منشآت مزدوجة ميزة قيمة: إمكانية تحديد الإشارة. هذا يسمح لنا بالتضييق من منطقة السماء التي يمكن أن تأتي منها الإشارة، والتي يتم تحديدها فيما بعد من قبل علماء الفلك “العاديين” الذين سيجدون ما الكائن النجمي قد يكون مسؤولاً.

مهمة LIGO لتحقيق دقة القياس غير المسبوقة

العقبة الفنية الأولى هي أن طول موجة ضوء الليزر وشدته يجب أن يكونا مستقرين قدر الإمكان. بدون ذلك، يمكن أن تُفهم التقلبات العشوائية على أنها إشارة لموجة ثقالية.

ثم يجب أن يضرب الشعاع الليزر المرايا المعلقة بدقة. يجب ألا تتحرك هذه المرايا على الإطلاق.

يجب ألا تهتز إلا قليلاً، حتى عند سقوط الأوراق من الأشجار القريبة، أو chạy طفل، أو مرور شاحنة على طريق بعيد.

يجب تعويض التباين الدقيق غير الناتج عن الجاذبية، على سبيل المثال:

• الحركة الحرارية للذرات على سطح المرايا
• الآثار الكمومية في الليزر.
• هزات زلزالية.
• أي تلوث في الهواء سوف يتداخل، مما يتطلب إجراء التجربة في أنابيب فراغ ضخم.

في النظرية، أذرع أطول من 4 كم سوف توفر قياسات أكثر دقة، ولكن في الممارسة، هناك حد عملي لمدى طول مقياس التداخل الذي يمكن بناؤه.

نتيجة لذلك، أصبح من الواضح أن هذا المشروع يتطلب ميزانية وتقنية أكثر من مجموعة بحثية صغيرة.

لذلك، في عام 1994، قام العالم باري باريش من كال تيك بتحويل مجموعة البحث الصغيرة التي تضم حوالي 40 شخصًا إلى تعاون دولي كبير يضم أكثر من ألف مشارك، مع تمويل أولي قدره 395 مليون دولار.

ستتطلب 200 مليون دولار إجمالية لتحقيق كسر عام 2015، عندما تلقى LIGO ليزرات أكثر قوة 10 مرات، ومرايا تزن 40 كيلوغرامًا، ومرشحات ضوضاء متقدمة للغاية، ونظام فراغ من أكبر الأنظمة في العالم.

استقرار زلزالي

نظرًا لأن الأرض لم تكن مستقرة تمامًا، فإن مرايا LIGO غير مستقرة بدون مستقر زلزالي.

تم تثبيت نظام أولي لتحسين الاهتزاز على المرايا: نظام معلق معقد يمتص الاهتزازات ويمنعها من النقل إلى الجزء التالي.

المبني على هذا الهيكل هو فعال جدًا في تقليل الاهتزازات، بحيث يتم تقليل أي اهتزازات موجودة في الجزء العلوي من التعليق بملايين المرات عند وصولها إلى كتلة الاختبار نفسها.

مصدر: LIGO

حتى هذا لم يكن كافياً، لذلك يتم إكماله بنظام استقرار نشط. تشعر جهاز استشعار الزلازل حول كل مرصد بحركات أرضية متعددة، ثم ترسل هذه الإشارات إلى كمبيوتر يجمعها ويتحديد حركات مضادة.

مصدر: LIGO

أهمية عدم وجود اهتزاز كانت معيارًا مهمًا عند اختيار موقع لبناء مقياس التداخل. لم يكن فقط بحاجة إلى مساحة خالية، ولكن أيضًا إلى عدم وجود أي نشاط بشري يولد اهتزازات، وهو ما يعادل تلوث الضوء للموجات الثقالية.

بصريات

تزن 40 كجم لكل منها، وتم تعليقهما في أسفل التعليقات، مصنوعة من مواد فائقة النقاء موضوعة في طبقات رقيقة بمقدار النانومتر. وهي مطلية بمواد تعكس كل شيء ما عدا واحد من كل 5 ملايين فوتون يضربها!

ليزر

اللبنة الأساسية للتجربة، الليزر، تحتاج إلى طول موجي مستقر جدًا للحفاظ على نمط التداخل المتسق، ويرى فقط انقطاعه بواسطة الموجات الثقالية.

ليزرات تجارية لن تكون دقيقة بهذا القدر. لذلك تم تصميم ليزر LIGO خصيصًا ليكون واحدًا من أكثر الليزرات نقاءً وثباتًا من نوعه على الإطلاق.

فراغ

لخفض أي تداخل من الهواء أو الجسيمات العالقة، يتم تشغيل الاختبارات في ظروف فراغ فائقة.

كما يزيل خطر تراكم الغبار على المرايا، مما سيحترق بواسطة الليزر ويدمر المرايا التي تبلغ تكلفتها 2 مليون دولار.

الضغط الجوي داخل أذرع LIGO هو واحد من المليارات من ذلك على مستوى سطح البحر، مما يعني أنه هناك حوالي 10 ملايين جزيء في كل سنتيمتر مكعب.

إنجازات LIGO

بعد الاكتشاف الأول لاصطدام الثقوب السوداء في عام 2015، قاس المرصد العديد من الأحداث عالية الطاقة في الكون:

• اندماج ثقب أسود آخر في عام 2016، كل منهما يبلغ حوالي 30 كتلة شمسية، وتم تحديده على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية، أو حوالي 1/10 من مسافة الكون المرئي.
• اندماج ثقب أسود ثالث ورابع في عام 2017.

بعد ذلك، تم إغلاق LIGO لتحسينه حتى عام 2019، قبل أن يتم تعطيله بسبب الجائحة. استخدم العلماء الفرصة لإجراء تحسينات إضافية وإضافة إلى الشبكة VIRGO، المرصد الشقيق الأوروبي خارج بيزا في إيطاليا.

مستقبل LIGO

أدت التحسينات السابقة إلى قيام LIGO باكتشافات 79 لموجات ثقالية في السنوات الأخيرة، مما خلق فهرسًا شاملاً للأحداث التي تشمل النجوم النابضة والثقوب السوداء لعلماء الفلك لتحديد موقعها بدقة وفهمها بشكل أفضل.

سيكون أحد التحسينات الهامة في المستقبل استبدال المرآة الحالية التي تزن 40 كجم بمرايا تزن 100 كجم، مع أنظمة تعليق أكبر.

من المتوقع أن يساعد الحساسية الإضافية في العثور على مزيد من المعلومات حول الجاذبية في الكون.

مجال آخر من البحث هو “موجات الانفجار الثقالي”. هذه الموجات القصيرة من مصادر غير معروفة أو غير متوقعة هي نظرية فقط وصعب اكتشافها، لذلك يجب على المحللين الذين يعملون على LIGO أن يكونوا مفتوحين العقل حول ما هو إشارة صالحة وما ليس كذلك.

“نحن قد نكتشف أيضًا موجات ثقالية من الأنظمة التي لم نعرف عنها من قبل. للبحث عن هذه الأنواع من الموجات الثقالية، لا يمكننا افتراض أنها سوف يكون لها خصائص محددة مثل تلك التي قد-modeledها علماء LIGO في السابق.

كاشفات الموجات الثقالية الأخرى

الجيل التالي من مقاييس التداخل قيد المناقشة، ولا سيما Cosmic Explorer، مقياس تداخل مع أذرع طويلة 40 كم، أو تلسكوب أينشتاين، كاشف ثلاثي الأبعاد مع أذرع طويلة 10 كم مدفونة تحت الأرض.

هناك أيضًا مشروع قد يظهر في المستقبل وهو كاشف موجات ثقالية ضخم في الفضاء: LISA، مقياس التداخل الفضائي. وهو قيد التصميم والاختبار من قبل مشروع بقيادة وكالة الفضاء الأوروبية الذي سوف يعمل ثلاث مركبات فضائية في تشكيل ثلاثي الأبعاد، مع أن المسافة بين كل مركبة فضائية تبلغ 2.5 مليون كيلومتر.

اسحب للتمرير →

ختام

LIGO هو مشروع مثير للإعجاب، حيث تحول من تجربة فريدة من نوعها إلى التحقق الفوري من وجود الموجات الثقالية.

مشروع مثل LIGO قد يبدو في البداية أكاديميًا خالصًا. هذا نادرًا ما يكون الحال، على الرغم من أن التطبيقات المباشرة قد تظهر صعبة التخيل في البداية.

على سبيل المثال، نظرية أينشتاين النسبية تستخدم اليوم بشكل روتيني لتحديد مواقع الأقمار الصناعية، وهو تطبيق لم يكن من السهل تخيله كحاجة تجارية يومية في عام 1919.

بالمثل، ي推 LIGO العلماء لاختراع مرايا وأجهزة استقرار وأجهزة ليزر دقيقة بشكل استثنائي، مع مستويات هندسية من الدرجة الأولى.

من المحتمل أن تثمر هذه الابتكارات في أي تكنولوجيا تستخدم هذه الأجهزة، بما في ذلك الحوسبة المتقدمة أو التكنولوجيا الفضائية.

استثمار في البصريات المتقدمة

شركة كورنينج

نظرًا لأن التلسكوبات ت đẩy ما هو ممكن فيما يتعلق بتصنيع الزجاج المتقدم، فإن هذا يفتح أيضًا العديد من الإمكانيات الصناعية في قطاعات متعددة مثل السيارات والشبه موصلات والذكاء الاصطناعي والدفاع والتقنيات الحيوية والرعاية الصحية، إلخ. سوق البصريات المتقدمة هو سوق بقيمة 310 مليار دولار، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مرکب يبلغ 9.2٪ حتى عام 2032.

كورنينج هي شركة زجاج وبصريات تمتلك 170 عامًا من التاريخ. على مدار تاريخها، أنتجت أول مصابيح زجاجية لضوء إديسون الكهربائي، وأول ألياف بصرية منخفضة الخسارة، والقواعد الخلوية التي تمكن المحولات الكتالية للأجهزة المحمولة، وأول زجاج غطاء مقاوم للخدش للأجهزة المحمولة.

مصدر: كورنينج

اليوم، تركز الشركة على التكنولوجيا الأساسية لتصنيع الزجاج والكерамиك، وتكنولوجيا البصريات، التي تشترك في عمليات تصنيع وَسوق نهاية مشتركة.

مصدر: كورنينج

تسمح هذه العلاقة بين التكنولوجيا للشركة بمشاركة التصنيع والبحث والهندسة بين خطوط إنتاجها المختلفة.

مع أكثر من 52,000 موظف، و77 موقعًا للتصنيع في جميع أنحاء العالم، و10 مرافق بحثية، فإن الشركة هي لاعب كبير في قطاعها.

مصدر: كورنينج

تستفيد الشركة من ازدهار الذكاء الاصطناعي وبناء مراكز البيانات (الألياف البصرية)، وكذلك الاستهلاك العام للزجاج المتخصص في الشاشات والتكنولوجيا الحيوية.

يجب أن لا تتأثر كورنينج كثيرًا بالتعريفات الجمركية، حيث أن 90٪ من إيرادات الولايات المتحدة تأتي من منتجات من أصل أمريكي. لا تُصنع نسبة صغيرة جدًا من المبيعات في الصين من مصانع أمريكية.

الرسوم الجمركية قد تساعد حتى، حيث تدخل كورنينج سوق اللوحات الشمسية، مع التحكم الاستراتيجي في هيملوك سولار، لإنتاج لوحات شمسية أمريكية، حيث يتم تطبيق رسوم جمركية بأربع أرقام على اللوحات الشمسية الآسيوية (ليس فقط الصينية). تم حجز 80٪ من السعة بالفعل من قبل التزامات العملاء.

الطاقة الشمسية لها معنى كبير للشركة، مع التعامل مع السيليكون كخبرة تصنيع أساسية، حيث أنتجت السيليكون عالي النقاوة (99.9999999999٪ نقاء) وإطلاق إنتاج الشريحة السيليكونية، وهو منتج مستورد بنسبة 100٪ في الولايات المتحدة.

مصدر: كورنينج

تبحث الشركة أيضًا في تكنولوجيا متقدمة أخرى حيث يمكن أن توفر خبرتها في الزجاج والكерамиك حافة صلبة، مثل الزجاج القابل للثني، والواقع المعزز، واكتشاف الكربون، إلخ.

مصدر: كورنينج

بشكل عام، كورنينج هي شركة تقنية عميقة، مع تصنيع محلي لن تتأثر بالتجارة العالمية. كما أنها تتبنى أسواق جديدة تتوافق مع قدراتها الأساسية، ولا سيما الطاقة الشمسية والاتصالات البصرية / البنية التحتية للذكاء الاصطناعي. هذا يجعلها شركة محافظة ومحافظة على قطاعها، ولكن أيضًا سهم نمو محتمل في الأسواق الفائقة التكنولوجيا.

أحدث أخبار وأحداث سهم كورنينج (GLW)