LIGO: Detektion af gravitationsbølger med præcisionsoptik

At se tyngdekraften: Sådan opdager LIGO gravitationsbølger

Astronomiens historie er knyttet til teleskopernes udvikling, som gradvist afslører mere af universet for os. Det startede med Galileos primitive teleskop og andre pionerer, og fortsætter i dag.

Vi har dækket flere sådanne nye teleskopmegaprojekter, for eksempel:

• DKIST, verdens mest kraftfulde solteleskop.
• The James Webb Space Telescope, placeret millioner af miles væk fra Jorden.
• The Vera C. Rubin Observatory, et surveys-teleskop der ser på hele himlen på én gang.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), studerer himlen i radiobølgespektret.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), der opdager flygtige neutriner.

En ny type astronomi er på vej, som studerer det på en helt ny måde: i stedet for lys og bølgelængder af elektromagnetiske bølger måler den gravitationsbølger.

Kun teoretisk indtil for nylig, nu er gravitationsbølger et bevist fænomen. Et projekt ser på måder at måle dem på: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Måling af tyngdekraften med gravitationsbølge-astronomi

Tyngdekraften blev længe betragtet som blot en af universets grundlæggende kræfter, ligesom elektromagnetisme eller den kraft, der driver kernekraften på atomart niveau.

Men ved årtusindeskiftet beskrev Einsteins relativitetsteori tyngdekraften som krumningen af rum-tiden.

Hans teori beskrev ikke kun korrekt, hvordan tyngdekraften fungerer for meget store objekter som stjerner, men forudsagde også mange rumfænomener, der på det tidspunkt endnu ikke var opdaget, såsom neutronstjerner og sorte huller.

En anden forudsigelse var gravitationsbølger, som får rummet til at strække og klemme som bølger, der udbreder sig på overfladen af en sø.

I modsætning til en almindelig lysbølge eller endda en havbølge af vand, er en gravitationsbølge ikke båret af nogen partikler. I stedet opstår en gravitationsbølge, når selve rum-tidens stof bølger eller vibrerer.

Nogle hændelser ville sandsynligvis være massive nok til at generere gravitationsbølger stærke nok til at blive målt, som for eksempel kollisionsen af to sorte huller med hinanden.

Uanset hvor kraftig en sådan fænomén er i absolutte termer, betyder den enorme afstand mellem Jorden og kilden samt vanskeligheden ved at måle rum-tiden selv, at et ultrafølsomt instrument skal designes for at opdage disse begivenheder.

Når gravitationsbølgerne når Jorden, millioner eller milliarder af lysår væk, er de tusinder af milliarder gange mindre.

Derfor blev et så imponerende instrument som LIGO konceptualiseret.

For gravitationsbølgerne fra LIGOs første opdagelse var mængden af rum-tidsvibration, de genererede, 10.000 gange mindre end atomkernen!

Hvordan interferometre opdager gravitationsbølger

Den første indirekte bevis for gravitationsbølger blev opnået ved studiet af banen for en binær pulsar. Energitabet fra den orbitalt afkøling matchede den forudsagte energi, der ville gå tabt til generering af gravitationsbølger, der gav de ansvarlige forskere Nobelprisen i fysik i 1993.

Kilde: Nobel Prize

Direkte måling krævede en anden type bevis, ved brug af et interferometer. Grundideen med et interferometer er at udnytte interaktionen mellem lysstråler. Hvis to lysbølger har samme bølgelængde, vil de overlappe og skabe et mønster af mørke og lyse pletter.

Men hvis noget ændrer disse bølgelængder, kan forstyrrelsen måles.

Da udvidelsen og sammentrækningen af rum-tiden fra gravitationsbølger også udvider og sammentrækker den ene arm af interferometeret mere end den anden, skaber dette en målbar effekt af gravitationsbølger.

LIGO – En Nobelpræmie-vindende præstation

I sin simpleste form består LIGO af to lange arme, hvor lys sendes ned gennem dem, hver på 4 km, eller 2½ miles. Skalaen af armene hjælper med at opdage selv de mindste variationer, da jo længere armene er, jo mindre målinger kan den foretage.

En laserstråle sendes ned gennem den ene arm af interferometeret, som deles i to. Begge stråler reflekteres derefter tilbage efter at have ramt et spejl.

Normalt bør hver laserstråle annullere hinanden.

Men hvis den ene arm bliver kontraheret eller udvidet mere end den anden af en gravitationsbølge, stopper interferensen mellem laserstrålerne, og et lyssignal registreres.

Kilde: Nobel Prize

I 2015 bekræftede den amerikanske National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) opdagelsen af bølgerne skabt af kollisionsen af sorte huller 1,3 milliarder lysår fra Jorden.

Dette banebrydende arbejde gav fysikerne Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne Nobelprisen i fysik i 2017.

Bygning af LIGO

I princippet er LIGO et relativt simpelt koncept, som er let at forstå, så snart vi har formået at forstå gravitationsbølger og har en grundlæggende forståelse af lys og laser.

At bygge et system, der er præcist nok til at kunne opdage variationer i længde på 1/10.000^th af en atom, er en anden sag.

To lignende faciliteter blev bygget, en i det nordvestlige USA og en i Louisiana, adskilt med omkring 3.000 km (1.860 miles).

Kilde: Nobel Prize

Den dobbelte facilitet fungerer som bekræftelse, da den store afstand betyder, at en gravitationsbølge vil have en syv sekunders “forsinkelse” mellem de to, mens den genererer det samme signal.

Således kan en enkelt detektion altid betragtes som en mulig fejl eller lokal forstyrrelse, men at den samme ting sker på begge sider af USA på præcis det forudsagte tidsinterval er næsten umuligt.

De dobbelte faciliteter giver også en uvurderlig fordel: muligheden for at triangulere signalet. Dette gør det muligt at indsnævre den del af himlen, hvor signalet kan komme fra, som senere identificeres af “almindelige” astronomer, der vil finde ud af, hvilket stjerneobjekt der kan være ansvarligt.

LIGOs jagt på hidtil uset målepræcision

Den første tekniske forhindring er, at laserlysets bølgelængde og intensitet skal være så stabile som muligt. Uden dette kunne tilfældige udsving blive fejltolket som et gravitationsbølgesignal.

Derefter skal strålen ramme de ophængte spejle præcist. Disse spejle må aldrig bevæge sig overhovedet.

De bør næsten slet ikke ryste, ikke engang når blade falder fra træer i nærheden, et barn løber forbi, eller en lastbil passerer på en fjern vej. Samtidig skal disse hængende spejle kunne svinge med passage af gravitationsbølger.

• Den termiske bevægelse af atomer på spejlenes overflade
• Kvanteeffekter i laseren.
• Seismiske rystelser.
• Enhver luftforurening ville forstyrre, hvilket kræver at hele eksperimentet udføres i massive vakuumrør.

I teorien ville arme længere end 4 km give endnu mere præcise målinger, men i praksis er der en praktisk grænse for, hvor stort et interferometer der kan bygges.

Som et resultat blev det hurtigt tydeligt, at ud over de indledende arbejder krævede dette projekt meget mere budget og teknisk ekspertise, end et lille forskerteam kunne levere.

Så i 1994 omdannede forskeren Barry Barish fra CalTech den lille forskningsgruppe på omkring 40 personer til et stort internationalt samarbejde med mere end tusind deltagere, med en indledende finansiering på 395 millioner dollars.

Det ville kræve omkring 200 millioner dollars i alt for at opnå gennembruddet i 2015, da LIGO fik ti gange kraftigere lasere, spejle på 40 kilo, højt avanceret støjfiltrering og et af verdens største vakuumsystemer.

Seismisk stabilisering

Da Jorden aldrig er helt stabil, er LIGOs spejle uden seismiske stabilisatorer heller ikke stabile.

Et første system af passiv vibrationsreduktion blev installeret på spejlene: et komplekst pendulssystem, der absorberer vibrationer og forhindrer dem i at blive overført til den næste del.

Kombineret er denne struktur så effektiv til at reducere vibrationer, at enhver vibration på toppen af ophængningen bliver 100 millioner gange mindre, når den når testmassen.

Kilde: LIGO

Selv dette var ikke nok, så det blev suppleret med et aktivt stabiliseringssystem. Seismometre omkring hver observatorium registrerer en række jordbevægelser, som derefter sendes til en computer, der kombinerer dem og bestemmer modbevægelse.

Kilde: LIGO

Vigtigheden af fraværet af vibrationer var et vigtigt kriterium ved valg af placering til at bygge interferometrene. Ikke kun havde de brug for meget fri plads, men også ingen menneskelig aktivitet, der genererede mange vibrationer, svarende til lysforurening for gravitationsbølge-detektioner.

Optik

Hver vejer 40 kg og hænger i bunden af ophængningerne; LIGOs optik er fremstillet af ultrarene materialer lagt i nanometer-tykke lag. De er belagt med materialer, der reflekterer alle undtagen én ud af hver 5 millioner fotoner, der rammer dem!

Laser

Kernen i eksperimentet, laserne, skal have en meget stabil bølgelængde for at holde interferensmønstret konsistent, og kun se forstyrrelser fra gravitationsbølger.

Kommercielle laser ville ikke have været så præcise. Så LIGOs laser blev specielt udviklet til at være en af de mest stabile, rene laser af sin slags nogensinde opfundet.

Vakuum

For at reducere enhver interferens fra luft eller flydende partikler køres testene i ultrahøj vakuum.

Det fjerner også risikoen for, at støv ophobes på spejlene, hvilket ville blive forbrændt af laserens energi og ødelægge de 2 millioner dollars dyre spejle.

Atmosfærisk tryk inde i LIGOs arme er en billiontedel af havniveau, hvilket betyder, at der kun er omkring 10 millioner molekyler per kubikcentimeter.

LIGO’s resultater

Efter den første opdagelse af sammenstødende sorte huller i 2015 målte observatoriet mange andre højenergi-begivenheder i universet:

• Et andet sort hul-sammenstød i 2016, hver på omkring 30 solmasser, blev lokaliseret så langt som 1,3 milliarder lysår væk, eller næsten 1/10 af afstanden til hele det observerbare univers.
• Et tredje og derefter et fjerde sort hul-sammenstød i 2017.

Derefter blev LIGO lukket for forbedringer indtil 2019, før det blev afbrudt af pandemien. Forskere benyttede lejligheden til yderligere forbedringer og tilføjede netværket VIRGO, den europæiske søstersfacilitet uden for Pisa i Italien.

Fremtiden for LIGO

Tidligere forbedringer har ført til, at LIGO har foretaget ikke mindre end 79 detektioner af gravitationsbølger i de seneste år, hvilket har skabt et omfattende katalog af begivenheder, der involverer neutronstjerner og sorte huller, som andre astronomer kan identificere præcist og forstå bedre.

En vigtig fremtidig opgradering vil være udskiftning af de nuværende 40 kg spejle med 100 kg spejle, sammen med meget større ophængningssystemer.

Den ekstra følsomhed bør hjælpe med at finde yderligere information om tyngdekraften i universet.

Et andet forskningsområde er “burst gravitationsbølger”. Disse kortvarige bølger fra ukendte eller uventede kilder er kun teoretiske og svære at opdage, så analytikerne, der driver LIGO, skal have et åbent sind for, hvad der er eller ikke er et gyldigt signal.

“Vi kan også opdage gravitationsbølger fra systemer, vi aldrig har kendt før. For at søge efter denne type gravitationsbølger kan vi ikke antage, at de vil have veldefinerede egenskaber som dem, LIGO-forskere tidligere har modelleret.

Dette betyder, at vi ikke kan begrænse vores analyser til kun at søge efter de signaturer af gravitationsbølger, som forskere har forudsagt.”

Andre gravitationsbølge-detektorer

Den næste generation af interferometre er også under diskussion, især Cosmic Explorer, et interferometer med 40 km lange arme, eller Einstein Telescope, en trekantet detektor med 10 km lange arme, begravet dybt under jorden.

Et andet projekt, der kan ses i fremtiden, er en enorm rum-baseret gravitationsbølge-detektor: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Den er allerede under design og test af et European Space Agency-ledet projekt, som vil operere tre rumfartøjer i en trekantet formation, med afstanden mellem hver satellit på 2,5 millioner kilometer.

Swipe for at rulle →

Konklusion

LIGO er et meget imponerende projekt, da det gik fra at være et eksperiment af første slags til straks at bekræfte eksistensen af gravitationsbølger.

Et projekt som LIGO kan ved første øjekast synes rent akademisk. Dette er sjældent tilfældet, selvom de direkte anvendelser kan synes svære at forestille sig i starten.

For eksempel anvendes Einsteins relativitetsteori i dag rutinemæssigt til at kalibrere GPS-satelliternes positioner, en anvendelse der var svær at forestille sig som et dagligt kommercielt behov i 1919.

På samme måde presser LIGO forskere til at opfinde stadig mere præcise spejle, stabiliseringssystemer og lasere, med verdensklasse ingeniørkunst.

Disse innovationer vil sandsynligvis bære frugt i enhver teknologi, der bruger disse enheder, inklusive avanceret computing eller rumteknologier.

Investering i avanceret optik

Corning Incorporated

Efterhånden som teleskoper presser, hvad der er muligt inden for præcisionsfremstilling af avanceret glas, åbner dette også mange industrielle muligheder i sektorer så varierede som bilindustri, halvledere, AI, forsvar, biotek, sundhedspleje osv. Det avancerede optikmarked er et $310 mia. marked, forventet at vokse med 9,2% CAGR indtil 2032.

Corning er et glas- og optikfirma, der har eksisteret i 170 år. Gennem sin historie har det produceret de første glødepærer til Thomas Edisons elektriske lys, den første lavtabssølvoptiske fiber, de cellulære substrater, der muliggør katalysatorer, og det første slagfast dækglas til mobile enheder.

I dag fokuserer virksomheden på kerne-teknologier inden for fremstilling af glas og keramik samt optisk fysik, som deler fælles produktionsprocesser og slutmarkeder.

Kilde: Corning

Denne sammenkobling af teknologier gør det muligt for virksomheden at dele fælles fremstillings-, forsknings- og ingeniørkapaciteter mellem sine forskellige produktlinjer. Med over 52.000 ansatte, mere end 77 produktionssteder verden over og over 10 forsknings- og udviklingsfaciliteter er virksomheden en stor spiller i sin niche.

Kilde: Corning

Virksomheden drager fordel af boomet i AI og opbygning af datacentre (optiske fibre), samt den samlede forbrug af specialglas i skærme og bioteknologi.

Corning bør ikke påvirkes meget af told, da 90% af de amerikanske indtægter kommer fra produkter med amerikansk oprindelse. Meget lidt af salget i Kina stammer fra amerikanske faciliteter, med 80% af kinesisk salg foretaget i Kina.

Told kan endda hjælpe, da Corning træder ind på solcellemarkedet med strategisk kontrol af Hemlock Solar, for at producere amerikansk fremstillede paneler, da asiatiske solpaneler (ikke kun kinesiske) pålægges firecifrede toldsatser. 80% af kapaciteten er allerede sikret gennem kundernes forpligtelser.

Solenergi giver god mening for virksomheden, da silicium håndterer en kernefremstillingskompetence i virksomheden, som har produceret polysilicium i 60 år, inklusive ultrarent silicium (99,9999999999% rent) og nu lancerer produktion af siliciumskiver, et produkt, der importeres 100% i USA.

Kilde: Corning

Virksomheden ser også på andre avancerede teknologier, hvor dens ekspertise inden for glas og keramik kan give en solid fordel, herunder bøjelig glas, AR, kulstoffangst osv.

Kilde: Corning

Alt i alt er Corning en dybt teknisk virksomhed med lokaliseret produktion, der ikke bør lide under deglobalisering. Den omfavner også nye markeder, der matcher dens kernekompetencer, især sol og optisk kommunikation / AI-infrastruktur. Dette gør den både til en relativt konservativ virksomhed, der kun graver dybere i sin niche, men også en potentiel vækstaktie i high-tech markeder.

Seneste Corning Inc. (GLW) Akt nyheder og udviklinger