LIGO: Gravitaatioaaltojen havaitseminen tarkkuusoptikalla

Näkymä gravitaatioon: Kuinka LIGO havaitsee gravitaatioaallot

Astronomian historia on sidoksissa teleskooppien kehitykseen, jotka ovat vähitellen paljastaneet meille yhä enemmän maailmankaikkeutta. Se alkoi Galileon ja muiden pioneereiden alkutason teleskoopeista, ja jatkuu edelleen tänä päivänä.

Olemme käsitelleet useita tällaisia uusia teleskoopin megahankkeita, esimerkiksi:

• DKIST, maailman tehokkain aurinkoteleskooppi.
• James Webb -avaruusteleskooppi, joka sijaitsee miljoonia mailia Maasta.
• Vera C. Rubin -observatorio, surveyteleskooppi, joka tarkkailee koko taivasta kerralla.
• SKAO (Square Kilometre Array -observatorio), joka tutkii taivasta radiotaajuuksilla.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), joka havaitsee vaikeasti tavoitettavia neutriineja.

Uusi astronomian muoto on nousemassa, joka tutkii sitä täysin uudella tavalla: valon ja sähkömagneettisten aaltojen aallonpituuden sijaan se mittaa gravitaatioaaltoja.

Aikaisemmin vain teoreettinen, mutta nyt gravitaatioaallot ovat todistettu ilmiö. Yksi projekti tutkii niiden mittaamista: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Gravitaation mittaaminen gravitaatioaaltoastronomian avulla

Gravitaatiota on pitkään pidetty vain yhtenä maailmankaikkeuden perusvoimista, kuten sähkömagneettinen voima tai ydinvoimat atomitasolla.

Mutta 1900-luvun vaihteen tienoilla Einsteinin suhteellisuusteoria kuvasi gravitaation avaruus-aikakaarena.

Hänen teoriansa ei ainoastaan kuvannut oikein, miten gravitaatio toimii hyvin suurten kohteiden, kuten tähtien, kohdalla, vaan myös ennusti monia siihen aikaan vielä löytämättömiä avaruusilmiöitä, kuten neutronitähtiä ja mustia aukkoja.

Toinen ennuste oli gravitaatioaalto, jotka saavat avaruuden venymään ja supistumaan kuin järven pinnalla leijuvat aallot.

Toisin kuin tavallinen valoaallot tai jopa vesiaalto, gravitaatioaalto ei kulje minkään hiukkasen mukana. Sen sijaan gravitaatioaalto syntyy, kun avaruus‑aikakudos itse aaltoilee tai värähtelee.

Jokin tapahtuma olisi todennäköisesti riittävän massiivinen tuottamaan gravitaatioaaltoja, jotka ovat niin vahvoja, että ne voidaan mitata, esimerkiksi kahden mustan aukon törmäys toisiinsa.

Kuitenkin, riippumatta siitä, kuinka voimakas ilmiö on absoluuttisesti, Maapallon ja sen lähteen välinen valtava etäisyys sekä avaruus‑aikakudoksen mittaamisen vaikeus tarkoittavat, että on suunniteltava äärimmäisen herkkä instrumentti näiden tapahtumien havaitsemiseksi.

Kun gravitaatioaallot saapuvat Maahan, miljoonien tai miljardien valovuosien päässä, ne ovat tuhansia miljardeja kertaa pienempiä.

Tästä syystä LIGO:n kaltaista vaikuttavaa instrumenttia on suunniteltu.

LIGO:n ensimmäisen havaitun gravitaatioaallon yhteydessä avaruus‑aikakudoksen värähtelyn määrä oli 10 000 kertaa pienempi kuin atomin ydin!

Miten interferometrit havaitsevat gravitaatioaaltoja

Ensimmäinen epäsuora todiste gravitaatioaaltoista saatiin tutkiessa binaaripulsaarin kiertorataa. Kiertoradan hidastuminen ja energiahäviö vastasivat ennustettua energiaa, joka menisi gravitaatioaaltojen syntymiseen, voittaen tälle löydölle 1993 Nobel-palkinnon fysiikassa.

Lähde: Nobel Prize

Suora mittaus vaati erilaista todistusta, käyttäen interferometriä. Interferometrin perusidea on käyttää valonsäteiden vuorovaikutusta. Jos kahdella valoaallolla on sama aallonpituus, ne päällekkäin ja luovat tummien ja kirkkaiden pisteiden kuvion.

Mutta jos jokin muuttaa näitä aallonpituuksia, häiriö voidaan mitata.

Koska gravitaatioaaltojen aiheuttama avaruus‑aikakudoksen laajeneminen ja supistuminen venyttää toista interferometrin sauvaa enemmän kuin toista, syntyy havaittavissa oleva ja mitattavissa oleva vaikutus.

LIGO – Nobel-palkinnon saavutus

Yksinkertaisimmillaan LIGO koostuu kahdesta pitkältä sauvalta, joihin lähetetään valoa; jokainen on 4 km pitkä, eli noin 2,5 mailia. Sauvojen mittakaava auttaa havaitsemaan jopa pienimmänkin vaihtelun, sillä mitä pidemmät sauvat, sitä pienempiä mittauksia ne voivat tehdä.

Laser-säde lähetetään interferometrin toiseen sauvaan, jossa se jakautuu kahdeksi. Molemmat säteet heijastetaan takaisin peilin jälkeen.

Normaalisti kummankin lasersäteen tulisi kumota toisiaan.

Mutta jos gravitaatioaalto supistaa tai venyttää toista sauvaa enemmän kuin toista, lasersädeinterferenssi häviää ja valosignaali havaitaan.

Lähde: Nobel Prize

Vuonna 2015 Yhdysvaltain National Science Foundationin Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) vahvisti aaltojen havaitsemisen, jotka syntyivät mustien aukkojen törmäyksestä 1,3 miljardia valovuotta Maasta.

Tämä mullistava työ toi fyysikot Rainer Weiss, Barry Barish ja Kip Thorne vuoden 2017 Nobel-palkinnon fysiikassa.

LIGO:n rakentaminen

Periaatteessa LIGO on melko yksinkertainen käsite, jonka ymmärtäminen on helppoa, kun olemme saaneet käsityksemme gravitaatioaaltojen konseptista ja perusymmärryksen valosta ja laseista.

Järjestelmän rakentaminen, joka on riittävän tarkka havaitsemaan pituusmuutoksen, joka on 1/10 000 atomista, on toinen tarina.

Kaksi samanlaista laitosta rakennettiin, yksi Yhdysvaltojen luoteisosaansa ja yksi Louisianaan, erotettuna noin 3 000 km (1 860 mailia).

Lähde: Nobel Prize

Kaksoislaitos toimii vahvistuksena, sillä niiden suuri etäisyys tarkoittaa, että gravitaatioaalto aiheuttaa seitsemän sekunnin “viiveen” kahden laitoksen välillä, samalla tuottaen saman signaalin.

Siksi, vaikka yksi havaitseminen voitaisiin aina katsoa mahdolliseksi virheeksi tai paikalliseksi häiriöksi, sama tapahtuma molemmilla Yhdysvaltojen puolilla juuri ennustetussa aikavälissä on lähes mahdotonta.

Kaksoislaitokset tarjoavat myös korvaamattoman edun: mahdollisuuden trianguloida signaali. Tämä mahdollistaa taivaankappaleen alueen rajaamisen, josta signaali voisi tulla, ja jonka myöhemmin “tavalliset” astronomit tunnistavat ja löytävät mahdollisen tähdistön.

LIGO:n pyrkimys ennennäkemättömään mittaus tarkkuuteen

Ensimmäinen tekninen haaste on, että laservalon aallonpituuden ja intensiteetin on oltava mahdollisimman vakaita. Ilman tätä satunnaiset vaihtelut voitaisiin tulkita virheellisesti gravitaatioaallon signaaliksi.

Sitten säteen on osuttava tarkasti roikkuviin peileihin. Nämä peilit eivät saa liikkua lainkaan.

Niiden tulisi lähes olla täysin tärinättömiä, ei edes kun lehdet putoavat lähistön puista, lapsi juoksee ohi tai kuorma-auto kulkee kaukaisella tiellä. Samalla näiden roikkuvien peilien on oltava vapaita heilumaan gravitaatioaaltojen kulkiessa.

• Peilien pinnalla olevien atomien lämpöliike
• Laserin kvanttiefektit.
• Seismiset tärinät.
• Mikään ilman epäpuhtaus ei saa häiritä, mikä vaatii koko kokeen toteuttamista massiivisissa tyhjiöputkissa.

Teoriassa yli 4 km pitkät sauvat tarjoaisivat vielä tarkempia mittauksia, mutta käytännössä on rajoitus, kuinka suuri interferometri voidaan rakentaa.

Tämän seurauksena kävi nopeasti selväksi, että tämän projektin lisäksi alustavien töiden lisäksi tarvittiin paljon enemmän budjettia ja teknistä asiantuntemusta kuin pieni tutkimusryhmä pystyi tarjoamaan.

Vuonna 1994 tiedemies Barry Barish CalTechista muutti noin 40 hengen pienen tutkimusryhmän yli tuhannen osallistujan laajaksi kansainväliseksi yhteistyöksi, alun perusrahoitus oli 395 miljoonaa dollaria.

Saavuttaakseen vuoden 2015 läpimurron tarvittiin yhteensä 200 miljoonaa dollaria, jolloin LIGO sai kymmenen kertaa tehokkaammat laserit, 40 kg painavat peilit, erittäin kehittyneen kohinan suodatuksen ja yhden maailman suurimmista tyhjiöjärjestelmistä.

Seisminen stabilointi

Koska Maa ei koskaan ole täysin vakaa, eivät myöskään LIGO:n peilit ole ilman seismisiä stabilointilaitteita.

Ensimmäinen passiivinen tärinänvaimennusjärjestelmä asennettiin peileihin: monimutkainen heilurijärjestelmä, joka absorboi tärinää ja estää sen siirtymisen seuraavaan osaan.

Yhdistettynä tämä rakenne on niin tehokas tärinän vähentämisessä, että kaikki yläpuolella olevat tärinät pienenevät 100 miljoonaa kertaa, kun ne saavuttavat testimassan.

Lähde: LIGO

Jopa tämä ei riittänyt, joten siihen lisättiin myös aktiivinen stabilointijärjestelmä. Jokaisen observatorion ympärillä olevat seismometrit havaitsevat maankuoren liikkeet, ja lähettävät signaalit tietokoneelle, joka yhdistää ne ja määrittää vastaliikkeet.

Lähde: LIGO

Värähtelyn puuttumisen merkitys oli tärkeä kriteeri valittaessa sijaintia interferometrien rakentamiseen. Tarvittiin paitsi paljon vapaata tilaa, myös alue, jossa ei ole ihmistoimintaa, joka aiheuttaisi paljon tärinää – gravitaatioaaltojen havaitsemisen valon saastumisen vastine.

Optiikka

Jokainen painaa 40 kg ja roikkuu roikkuvien osien alapuolella; LIGO:n optiikka on valmistettu ultra-puhtaista materiaaleista, jotka on kerrostettu nanometrin paksuisina kerroksina. Ne on päällystetty materiaaleilla, jotka heijastavat kaikki paitsi yhden jokaisesta viidestä miljoonasta fotonista, joka niihin osuu!

Laserit

Kokeen ydin, laserit, tarvitsevat erittäin vakaan aallonpituuden, jotta interferenssikuvio pysyy tasaisena, ja häiriö näkyy vain gravitaatioaaltojen vaikutuksesta.

Kaupalliset laserit eivät olisi olleet näin tarkkoja. Siksi LIGO:n laser suunniteltiin erityisesti olemaan yksi vakaimmista ja puhtaimmista omantyyppisistään koskaan keksityistä laseista.

Tyhjiö

Ilman tai leijuvien hiukkasten aiheuttaman häiriön vähentämiseksi testit suoritetaan ultra-korkean tyhjiön olosuhteissa.

Se poistaa myös pölyn kertymisriskin peileihin, mikä muuten polttaisi laserin ja tuhoaisi 2 miljoonan dollarin peilit.

LIGO:n sauvojen sisäinen ilmanpaine on yksi biljoonasosa merenpinnan paineesta, mikä tarkoittaa, että siellä on noin vain 10 miljoonaa molekyyliä kuutiosenttirissä.

LIGO:n saavutukset

Ensimmäisen mustien aukkojen törmäyksen löydön jälkeen vuonna 2015 observatorio mittasi monia muita korkeaenergisia tapahtumia universumissa:

• Toinen mustien aukkojen yhdistyminen vuonna 2016, jokainen noin 30 aurinkomassaa, paikannettiin jopa 1,3 miljardia valovuotta kauas, lähes 1/10 koko havaittavan universumin etäisyydestä.
• Kolmas ja sitten neljäs mustien aukkojen yhdistyminen vuonna 2017.

Tämän jälkeen LIGO suljettiin parannuksia varten vuoteen 2019 asti, ennen kuin pandemia keskeytti toiminnan. Tutkijat hyödynsivät tilaisuutta tehdäkseen lisäparannuksia ja lisättäkseen verkostoon VIRGO:n, Euroopan sisarilaitoksen, joka sijaitsee Pisasta Italiassa.

LIGO:n tulevaisuus

Aikaisemmat parannukset ovat johtaneet LIGO:n tekemään vähintään 79 gravitaatioaaltojen havaintoa viime vuosina, luoden laajan luettelon tapahtumista, jotka sisältävät neutronitähtiä ja mustia aukkoja, jotta muut astronomit voivat tunnistaa ne tarkasti ja ymmärtää paremmin.

Tuleva tärkeä päivitys on nykyisen 40 kg peilin korvaaminen 100 kg peileillä, yhdessä paljon suurempien roikkuvien järjestelmien kanssa.

Lisäherkkyyden tulisi auttaa löytämään lisää tietoa gravitaatiosta universumissa.

Toinen tutkimusalue on “paukkuvat gravitaatioaallot”. Nämä lyhytkestoiset aallot tuntemattomista tai odottamattomista lähteistä ovat vain teoreettisia ja vaikeita havaita, joten LIGO:n analyytikoiden on oltava avoimia siitä, mikä on tai ei ole kelvollinen signaali.

“Saatamme myös havaita gravitaatioaaltoja järjestelmistä, joista emme koskaan aiemmin tienneet. Etsittäessä tällaisia gravitaatioaaltoja emme voi olettaa, että niillä on hyvin määritellyt ominaisuudet kuten LIGO:n tutkijoiden aiemmin mallittamat.

Tämä tarkoittaa, että emme voi rajoittaa analyysejamme pelkästään tutkijoiden ennustamiin gravitaatioaaltojen ominaisuuksiin.”

Muut gravitaatioaaltojen detektorit

Seuraavan sukupolven interferometreistä keskustellaan myös, erityisesti Cosmic Explorer, interferometri, jonka 40 km pitkät sauvat, tai Einstein Telescope, kolmionmuotoinen detektori, jonka 10 km pitkät sauvat on upotettu syvälle maahan.

Toinen tulevaisuudessa mahdollisesti nähtävä projekti on valtava avaruuspohjainen gravitaatioaaltojen detektori: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Se on jo suunnitteilla ja testattavana Euroopan avaruusjärjestön johtamassa hankkeessa, jossa on kolme avaruusalusta kolmionmuotoisessa muodostelmassa, ja etäisyys alusten välillä on 2,5 miljoonaa kilometriä.

Swipe to scroll →

Yhteenveto

LIGO on erittäin vaikuttava hanke, sillä se siirtyi ensimmäisenä tällaisena kokeena suoraan vahvistamaan gravitaatioaaltojen olemassaolon.

LIGO:n kaltainen projekti saattaa ensi silmäyksellä vaikuttaa puhtaasti akateemiselta. Tämä on harvoin totta, vaikka suorat sovellukset saattavat aluksi vaikuttaa vaikeasti kuvitettavilta.

Esimerkiksi Einsteinin suhteellisuusteoriaa käytetään tänä päivänä rutiininomaisesti GPS-satelliittien sijaintien kalibrointiin, sovellus, jonka oli vuonna 1919 vaikea kuvitella päivittäiseksi kaupalliseksi tarpeeksi.

Samoin LIGO pakottaa tutkijoita keksimään yhä tarkempia peilejä, stabilointijärjestelmiä ja laseja, maailmanluokan insinööritason kanssa.

Nämä innovaatiot todennäköisesti kantavat hedelmää kaikissa teknologioissa, jotka käyttävät näitä laitteita, mukaan lukien kehittyvä laskentateknologia tai avaruusteknologiat.

Sijoittaminen kehittyneeseen optiikkaan

Corning Incorporated

Kun teleskoopit työntävät mahdollisuuksia kehittyneen lasin tarkkuusvalmistuksessa, tämä avaa myös monia teollisia mahdollisuuksia sektoreilla kuten autoala, puolijohteet, AI, puolustus, biotekniikka, terveydenhuolto jne. Kehittyneen optiikan markkinat ovat 310 miljardia dollarin markkinat, joiden odotetaan kasvavan 9,2 % CAGR:lla vuoteen 2032 asti.

Corning on lasi- ja optiikkayritys, joka on toiminut 170 vuotta. Historiansa aikana se valmisti ensimmäiset lasipullot Thomas Edisonin sähkövalolle, ensimmäisen matalahäviöisen optisen kuidun, solusubstraatit, jotka mahdollistavat katalysaattorit, sekä ensimmäisen vauriokestävän suojalasin mobiililaitteille.

Lähde: Corning

Tänään yritys keskittyy ydinteknologioihin, jotka liittyvät lasin ja keraamisten valmistukseen sekä optiikan fysiikan teknologioihin, joilla on yhteisiä valmistusprosesseja ja loppumarkkinoita.

Lähde: Corning

Tämä teknologioiden välinen yhteys mahdollistaa yrityksen jakaa yhteisiä valmistus-, tutkimus- ja insinöörikykyjä eri tuotelinjansa välillä. Yli 52 000 työntekijän, 77+ valmistuspaikan maailmanlaajuisesti ja yli 10 tutkimus- ja kehityslaitoksen kanssa yritys on suuri toimija omassa nicheissään.

Lähde: Corning

Yritys hyötyy AI:n ja datakeskusten rakentamisen (optiset kuidut) kasvusta, sekä erikoislasiin kohdistuvasta kokonaiskulutuksesta näytöissä ja bioteknologiassa.

Corningin ei pitäisi tulla merkittävästi tullien vaikutuksen kohteeksi, sillä 90 % Yhdysvaltain tuloista tulee Yhdysvalloissa valmistetuista tuotteista. Hyvin vähän Kiinassa tehdystä myynnistä on peräisin Yhdysvaltain laitoksista, ja 80 % Kiinan myynnistä tapahtuu Kiinassa.

Tullit voivat jopa auttaa, sillä Corning astuu aurinkopaneelien markkinoille strategisen kontrollin kautta Hemlock Solar -yrityksestä, tuottaen Yhdysvalloissa valmistettuja paneeleja, kun aasialaiset aurinkopaneelit (ei pelkästään kiinalaiset) joutuvat nelinumeroisten tullien alaisuuteen. 80 % kapasiteetista on jo varmistettu asiakkaiden sitoumusten kautta.

Aurinkoenergia on yritykselle järkevää, sillä piin käsittely on yrityksen ydintuotannon osa-aluetta; se on valmistanut polysiliconia 60 vuoden ajan, mukaan lukien ultra-puhtaan piin (99,9999999999 % puhdas) ja nyt käynnistää piolautojen tuotannon, tuotetta, jota tuodaan Yhdysvalloissa 100 %.

Lähde: Corning

Yritys tutkii myös muita kehittyneitä teknologioita, joissa sen lasi- ja keraamisten asiantuntemus voisi tarjota vahvan etulyöntiaseman, kuten taivutettavaa lasia, AR, hiilidioksidin talteenotto jne.

Lähde: Corning

Kaiken kaikkiaan Corning on syvällisesti tekninen yritys, jonka paikallinen valmistus ei pitäisi kärsiä deglobalisaatiosta. Se omaksuu myös uusia markkinoita, jotka vastaavat sen ydintaitoja, erityisesti aurinkoenergiaa ja optista viestintää / AI-infrastruktuuria. Tämä tekee siitä sekä melko konservatiivisen yrityksen, joka kaivaa syvemmältä omaan nicheensä, että myös potentiaalisen kasvuarvon korkean teknologian markkinoilla.

Viimeisimmät Corning Inc. (GLW) osakeuutiset ja kehitys