LIGO: Oppdage gravitasjonsbølger med presisjonsoptikk

Se gravitasjon: hvordan LIGO oppdager gravitasjonsbølger

Historien om astronomi er knyttet til fremgangen innen teleskoper, som gradvis har avslørt mer av universet for oss. Den startet med Galileos primitive teleskop og andre pionerer, og fortsetter i dag.

Vi har dekket flere slike nye teleskop‑megaprosjekter, for eksempel:

• DKIST, verdens kraftigste solteleskop.
• The James Webb Space Telescope, plassert millioner av mil fra jorden.
• The Vera C. Rubin Observatory, et undersøkelsesteleskop som ser på hele himmelen på én gang.
• SKAO (Square Kilometre Array Observatory), som studerer himmelen i radiospekteret.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som oppdager unnvikende nøytrinoer.

En ny type astronomi er i ferd med å dukke opp, en som studerer universet på en helt ny måte: i stedet for lys og bølgelengde av elektromagnetiske bølger, måler den gravitasjonsbølger.

Kun teoretisk inntil for relativt nylig, er gravitasjonsbølger nå et bevist fenomen. Et prosjekt som ser på måter å måle dem på: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Måle gravitasjon med gravitasjonsbølge‑astronomi

Gravitasjon ble lenge antatt å være “bare” en av universets grunnleggende krefter, som elektromagnetisme eller den kraften som driver kjernekreftene på atomnivå.

Men ved overgangen til det 20^th århundre beskrev Einsteins relativitetsteori gravitasjon som krumningen av rom‑tid.

Hans teori beskrev ikke bare korrekt hvordan gravitasjon fungerer for svært store objekter som stjerner, men forutså også mange romfenomener som ennå ikke var oppdaget på den tiden, som nøytronstjerner og sorte hull.

En annen forutsigelse var gravitasjonsbølger, som får rommet til å strekke og klemme som bølger som sprer seg på overflaten av en innsjø.

I motsetning til en vanlig lysbølge eller til og med en havbølge av vann, blir ikke en gravitasjonsbølge båret av noen partikler. I stedet oppstår en gravitasjonsbølge når selve strukturen i rom‑tid bølger eller vibrerer. 

En hendelse som sannsynligvis er massiv nok til å generere gravitasjonsbølger sterke nok til å bli målt, ville for eksempel være kollisjonen mellom to sorte hull.

Uansett hvor kraftig en slik hendelse er i absolutte termer, gjør den enorme avstanden mellom Jorden og kilden, samt vanskeligheten med å måle rom‑tid selv, at et ultrafølsomt instrument må designes for å oppdage disse hendelsene.

Når gravitasjonsbølgene når Jorden, fra millioner eller milliarder av lysår unna, er de tusener av milliarder ganger mindre.

Dette er grunnen til at et så imponerende instrument som LIGO ble konseptualisert.

For gravitasjonsbølgene fra LIGOs første oppdagelse var mengden rom‑tid‑vibrasjon de genererte 10 000 ganger mindre enn kjernen i et atom!

Hvordan interferometre oppdager gravitasjonsbølger

Det første indirekte beviset på gravitasjonsbølger ble oppnådd ved studiet av banen til en binær pulsar. Energitapet fra orbital nedbrytning matchet den predikerte energien som ville bli tapt til generering av gravitasjonsbølger, som ga forskerne som oppdaget dette Nobelprisen i fysikk 1993.

Kilde: Nobelprisen

Direkte måling krevde en annen type bevis, ved bruk av et interferometer. Den grunnleggende ideen med et interferometer er å bruke interaksjonen mellom lysstråler. Hvis to lysbølger har samme bølgelengde, vil de overlappe og skape et mønster av mørke og lyse flekker.

Men hvis noe endrer disse bølgelengdene, kan forstyrrelsen måles.

Ettersom utvidelse og sammentrekning av rom‑tid fra gravitasjonsbølger også utvider og trekker sammen den ene armen av interferometeret mer enn den andre, skaper dette en målbar effekt av gravitasjonsbølgene.

LIGO – en Nobelprisvinnende prestasjon

I sin enkleste form består LIGO av 2 lange armer, med lys sendt ned i dem, hver på 4 km, eller 2 ½ miles. Skalaen på armen hjelper med å oppdage selv den minste variasjon, ettersom jo lengre armene er, jo mindre målinger kan den gjøre.

En laserstråle sendes ned én arm av interferometeret, som deles i to. Begge strålene reflekteres tilbake etter å ha truffet et speil.

Normalt skal hver laserstråle kansellere hverandre.

Men hvis én arm blir kontrahert eller utvidet mer enn den andre av en gravitasjonsbølge, stopper interferensen mellom laserstrålene, og et lyssignal blir oppdaget.

Kilde: Nobelprisen

I 2015 bekreftet USAs National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) oppdagelsen av bølgene skapt av kollisjonen mellom sorte hull 1,3 milliarder lysår fra Jorden.

Dette banebrytende arbeidet ga fysikerne Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne Nobelprisen i fysikk 2017.

Bygge LIGO

I prinsippet er LIGO et relativt enkelt konsept, som er lett å forstå så snart vi har klart å forstå gravitasjonsbølger og har en minimumsforståelse av lys og laser.

Å bygge et system presist nok til å kunne oppdage en lengdevariasjon på 1/10 000^th av et atom er en annen historie.

To lignende fasiliteter ble bygget, én i nordvestlige USA og én i Louisiana, adskilt med omtrent 3 000 km (1860 miles).

Kilde: Nobelprisen

Den doble fasiliteten fungerer som bekreftelse, da den store avstanden betyr at en gravitasjonsbølge vil ha en syv‑sekunders “forsinkelse” mellom de to, mens den genererer samme signal.

Så, mens bare én oppdagelse alltid kan betraktes som en mulig feil eller lokal forstyrrelse, er det samme som skjer på begge sider av USA på nøyaktig den forutsagte tidsintervallet nesten umulig.

De doble fasilitetene gir også en uvurderlig fordel: muligheten til å triangulere signalet. Dette gjør at vi kan avgrense området på himmelen hvor signalet kan komme fra, som senere identifiseres av “vanlige” astronomer som vil finne hvilket stjerneobjekt som kan være ansvarlig.

LIGOs søken etter enestående målepresisjon

Den første tekniske hindringen er at laserlysets bølgelengde og intensitet må være så stabile som mulig. Uten dette kan tilfeldige fluktuasjoner bli feiltolket som et gravitasjonsbølgesignal.

Deretter må strålen treffe de opphengte speilene presist. Disse speilene må aldri bevege seg i det hele tatt.

De skal knapt riste i det hele tatt, ikke engang når blader faller fra trær i nærheten, et barn løper forbi, eller en lastebil passerer på en fjern vei. Samtidig må disse hengende speilene være frie til å svinge med passasjen av gravitasjonsbølger.

Minimale variasjoner som ikke skyldes gravitasjon må også kompenseres for, for eksempel:

• Den termiske bevegelsen av atomer på speiloverflaten
• Kvantum‑effekter i laser­en.
• Seismiske rystelser.
• Enhver luftforurensning ville forstyrre, noe som krever at hele eksperimentet gjennomføres i massive vakuumrør.

I teorien ville armer lengre enn 4 km gi enda mer presise målinger, men i praksis finnes det en praktisk grense for hvor stort et interferometer kan bygges.

Som et resultat ble det raskt klart at, i tillegg til de foreløpige arbeider, krevde dette prosjektet langt mer budsjett og teknisk ekspertise enn et lite forskerteam kunne tilby.

Så i 1994 forvandlet forsker Barry Barish fra CalTech den lille forskningsgruppen på omtrent 40 personer til et stort internasjonalt samarbeid med mer enn tusen deltakere, med en innledende finansiering på $395 M.

Det ville kreve $200 M totalt for å oppnå gjennombruddet i 2015, da LIGO fikk 10 × kraftigere laser, speil på 40 kg, svært avansert støyfiltrering, og ett av verdens største vakuumsystemer.

Seismisk stabilisering

Siden jorden aldri er helt stabil, er ikke LIGOs speil stabile uten seismiske stabilisatorer.

Et første system for passiv vibrasjonsreduksjon ble installert på speilene: et komplekst pendelsystem som absorberer vibrasjoner og hindrer dem i å overføres til neste del.

Sammen er denne strukturen så effektiv på å redusere vibrasjoner at enhver vibrasjon på toppen av opphenget blir gjort 100 millioner ganger mindre når den når testmassen.

Kilde: LIGO

Selv dette var ikke nok, så det ble også komplettert med et aktivt stabiliseringssystem. Seismometre rundt hver observatorium oppfatter ulike jordbevegelser, og sender disse signalene til en datamaskin som kombinerer dem og bestemmer motbevegelser.

Kilde: LIGO

Viktigheten av fravær av vibrasjon var et viktig kriterium ved valg av sted for å bygge interferometerne. De trengte ikke bare mye fri plass, men også ingen menneskelig aktivitet som genererte mange vibrasjoner, tilsvarende lysforurensning for gravitasjonsbølge‑deteksjon.

Optikk

Med en vekt på 40 kg hver, og hengende i bunnen av opphenget, er LIGOs optikk laget av ultrarene materialer lagt i nanometer‑tykke lag. De er belagt med materialer som reflekterer alle bortsett fra én av hver 5 millioner fotoner som treffer dem!

Laser

Kjernen i eksperimentet, laserne, må ha en svært stabil bølgelengde for å holde interferensmønsteret konsistent, og kun se det forstyrret av gravitasjonsbølger.

Kommercielle laser ville ikke vært så presise. Så LIGOs laser ble spesielt konstruert for å være en av de mest stabile, rene laserene av sitt slag som noen gang er laget.

Vakuum

For å redusere enhver interferens fra luft eller flytende partikler, kjøres testene i ultrahøyt vakuum.

Det fjerner også risikoen for støv som samler seg på speilene, som ville bli brent av laser­en og ødelegge $2 M speilene.

Atmosfærisk trykk inne i LIGOs armer er en billiondel av trykket ved havnivå, noe som betyr at det kun er omtrent 10 millioner molekyler per kubikkcentimeter.

LIGO‑prestasjoner

Etter den første oppdagelsen av kolliderende sorte hull i 2015, målte observatoriet mange andre høy‑energi‑hendelser i universet:

• Et annet sort hull‑sammenslåing i 2016, hver på rundt 30 solmasser, ble lokalisert så langt som 1,3 milliarder lysår, eller nesten 1/10^th av avstanden til hele det observerbare universet.
• En tredje og deretter en fjerde sort hull‑sammenslåing i 2017.

Etter dette ble LIGO stengt for forbedringer frem til 2019, før pandemien avbrøt arbeidet. Forskere benyttet anledningen til ytterligere forbedringer og la til nettverket VIRGO, den europeiske søstersfasiliteten utenfor Pisa i Italia.

Fremtiden for LIGO

Tidligere forbedringer har ført til at LIGO har gjort ikke mindre enn 79 oppdagelser av gravitasjonsbølger i de siste årene, og skapt en omfattende katalog av hendelser som involverer nøytronstjerner og sorte hull for andre astronomer å identifisere presist og forstå bedre.

En viktig fremtidig oppgradering vil være utskifting av de nåværende 40 kg‑speilene med 100 kg‑speil, sammen med mye større opphengssystemer.

Den ekstra sensitiviteten bør hjelpe med å finne mer informasjon om gravitasjon i universet.

Et annet forskningsfelt er “burst gravitasjonsbølger”. Disse kortvarige bølgene fra ukjente eller uforutsette kilder er kun teoretiske og vanskelige å oppdage, så analytikerne som driver LIGO må ha et åpent sinn om hva som er eller ikke er et gyldig signal.

«Vi kan også oppdage gravitasjonsbølger fra systemer vi aldri har kjent til før. For å søke etter denne typen gravitasjonsbølger kan vi ikke anta at de vil ha veldefinerte egenskaper som de LIGO‑forskerne tidligere har modellert.

Dette betyr at vi ikke kan begrense analysene våre til kun å lete etter signaturene til gravitasjonsbølger som forskere har forutsagt.»

Andre gravitasjonsbølge‑detektorer

Den neste generasjonen av interferometre er også under diskusjon, spesielt Cosmic Explorer, et interferometer med 40 km‑lange armer, eller Einstein Telescope, en trekantet detektor med 10 km‑lange armer begravd dypt under jord.

Et annet prosjekt som kan bli sett i fremtiden er en enorm rombasert gravitasjonsbølge‑detektor: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Den er allerede under design og testing av et European Space Agency‑ledet foretak som vil operere tre romfartøy i en trekantet formasjon, med avstanden mellom hver satellitt på 2,5 millioner kilometer.

Sveip for å rulle →

Konklusjon

LIGO er et svært imponerende prosjekt, da det gikk fra å være et eksperiment av første slag til umiddelbart å bekrefte eksistensen av gravitasjonsbølger.

Et prosjekt som LIGO kan ved første øyekast virke rent akademisk. Dette er sjelden tilfelle, selv om de direkte anvendelsene kan virke vanskelige å forestille seg i starten.

For eksempel blir Einsteins relativitetsteori i dag rutinemessig brukt til å kalibrere posisjonene til GPS‑satellitter, en anvendelse som var vanskelig å forestille seg som et daglig kommersielt behov i 1919.

På samme måte presser LIGO forskere til å oppfinne stadig mer presise speil, stabiliseringssystemer og laser, med verdensklasse ingeniørnivå.

Disse innovasjonene vil sannsynligvis bære frukt i enhver teknologi som bruker disse enhetene, inkludert avansert databehandling eller romteknologi.

Investere i avansert optikk

Corning Incorporated

Etter hvert som teleskoper presser grensene for presisjonsproduksjon av avansert glass, åpner dette også mange industrielle muligheter i sektorer så varierte som bilindustri, halvledere, AI, forsvar, bioteknologi, helsevesen osv. Markedet for avansert optikk er et $310 milliarder marked, forventet å vokse med 9,2 % CAGR frem til 2032.

Corning er et glass‑ og optikkfirma som har eksistert i 170 år. Gjennom historien produserte de de første glasspærene for Thomas Edisons elektriske lys, den første lav‑tap optiske fiberen, celle‑substratene som muliggjør katalysatorer, og det første skade‑resistente deksglasset for mobile enheter.

Kilde: Corning

I dag fokuserer selskapet på kjerneteknologiene for produksjon av glass og keramikk, og optisk‑fysikk‑teknologier, som deler felles produksjonsprosesser og sluttmarkeder.

Kilde: Corning

Denne sammenkoblingen av teknologier gjør at selskapet kan dele felles produksjons‑, forsknings‑ og ingeniørkapasiteter mellom sine ulike produktlinjer. Med over 52 000 ansatte, 77+ produksjonssteder verden over, og 10+ FoU‑anlegg, er selskapet en stor aktør i sin nisje.

Kilde: Corning

Selskapet drar nytte av boomen innen AI og bygging av datasentre (optiske fibre), samt den generelle etterspørselen etter spesialglass i skjermer og bioteknologi.

Corning bør ikke påvirkes mye av toll, da 90 % av amerikanske inntekter kommer fra produkter med amerikansk opprinnelse. Svært lite av salget i Kina stammer fra amerikanske anlegg, med 80 % av kinesisk salg gjort i Kina.

Toll kan til og med hjelpe, da Corning går inn i solcellemarkedet, med strategisk kontroll av Hemlock Solar, for å produsere amerikansk‑lagde paneler, ettersom asiatiske solpaneler (ikke bare kinesiske) blir pålagt fire‑sifrede tollsatser. 80 % av kapasiteten er allerede sikret av kunders forpliktelser.

Solenergi gir mye mening for selskapet, med silisium som en kjernekompetanse i selskapets produksjon, etter å ha produsert polysilisium i 60 år, inkludert ultra‑rent silisium (99,9999999999 % rent) og nå lanserer produksjon av silisium‑skiver, et produkt som importeres 100 % i USA.

Kilde: Corning

Selskapet ser også på andre avanserte teknologier hvor deres ekspertise innen glass og keramikk kan gi et solid konkurransefortrinn, inkludert bøybart glass, AR, karbonfangst, osv.

Kilde: Corning

Alt i alt er Corning et dypt teknisk selskap, med lokalisert produksjon som ikke bør lide under deglobalisering. Det omfavner også nye markeder som matcher deres kjernekompetanser, spesielt solenergi og optisk kommunikasjon / AI‑infrastruktur. Dette gjør det både til et relativt konservativt selskap som graver dypere i sin nisje, men også til en potensiell vekstaksje i høyteknologiske markeder.

Siste nyheter og utviklinger for Corning Inc. (GLW) aksjer