LIGO: Upptäckt av gravitationsvågor med precisionsoptik

Att se gravitation: Hur LIGO upptäcker gravitationsvågor

Astronomins historia är knuten till teleskopens utveckling, som successivt avslöjar mer av universum för oss. Den började med Galileos primitiva teleskop och andra pionjärer, och fortsätter än idag.

Vi har behandlat flera sådana nya teleskopmegaprojekt, till exempel:

• DKIST, världens mest kraftfulla solteleskop.
• James Webb rymdteleskop, beläget miljoner mil från jorden.
• Vera C. Rubin-observatoriet, ett undersökningsteleskop som observerar hela himlen på en gång.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), studerar himlen i radiospektrumet.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), detekterar svårfångade neutriner.

En ny typ av astronomi håller på att uppstå, en som studerar den på ett helt nytt sätt: istället för ljus och våglängder av elektromagnetiska vågor, mäter den gravitationsvågor.

Endast teoretisk tills relativt nyligen, nu är gravitationsvågor ett bevisat fenomen. Ett projekt undersöker sätt att mäta dem: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Mätning av gravitation med gravitationsvåg-astronomi

Gravitation har länge trotts vara “bara” en av universums grundläggande krafter, som elektromagnetism eller kraften som driver kärnkrafter på atomnivå.

Men i början av 20^th-århundradet beskrev Einsteins relativitetsteori gravitation som krökningen av rumtiden.

Hans teori beskrev inte bara korrekt hur gravitation fungerar för mycket stora objekt som stjärnor, utan förutsåg också många rymdfenomen som ännu inte upptäckts då, som neutronstjärnor och svarta hål.

En annan förutsägelse var gravitationsvågor, som får rymden att sträcka och trycka ihop sig som vågor som sprider sig på en sjöyta.

Till skillnad från en vanlig ljusvåg eller ens en havsvåg av vatten, bärs en gravitationsvåg inte av några partiklar. Istället uppstår en gravitationsvåg när själva rumtidens väv vågar eller vibrerar.

Några händelser skulle sannolikt vara tillräckligt massiva för att generera gravitationsvågor starka nog att mätas, till exempel kollisionen mellan två svarta hål.

Dock, oavsett hur kraftfull en sådan företeelse är i absoluta termer, innebär det enorma avståndet mellan jorden och dess källa samt svårigheten att försöka mäta rumtiden själv att ett ultrasensitivt instrument måste konstrueras för att upptäcka dessa händelser.

När gravitationsvågorna når jorden, från miljoner eller miljarder ljusår bort, är de tusentals miljarder gånger mindre.

Det är därför ett instrument så imponerande som LIGO konceptualiseras.

För gravitationsvågorna från LIGOs första upptäckt var den mängd rumtidsvibration de genererade 10 000 gånger mindre än kärnan i en atom!

Hur interferometrar upptäcker gravitationsvågor

Det första indirekta beviset för gravitationsvågor erhölls genom studier av banan för en binär pulsar. Energiförlusten i omloppsbanens avklingning matchade den förutsagda energi som skulle gå förlorad till generering av gravitationsvågor, vilket gav forskarna bakom upptäckten Nobelpriset i fysik 1993.

Källa: Nobel Prize

Direkt mätning krävde en annan typ av bevis, med hjälp av en interferometer. Grundidén med en interferometer är att använda interaktionen mellan ljusstrålar. Om två ljusvågor har samma våglängd överlappar de och skapar ett mönster av mörka och ljusa fläckar.

Men om något förändrar dessa våglängder kan störningen mätas.

När expansionen och kontraktionen av rumtiden från gravitationsvågor också expanderar och kontrakterar en av interferometerns armar mer än den andra, skapar detta en detekterbar och mätbar effekt av gravitationsvågor.

LIGO – En Nobelpristagande prestation

I sin enklaste form består LIGO av två långa armar, med ljus som skickas ner i dem, vardera 4 km långa, eller 2 ½ mil. Skalan på armen hjälper till att upptäcka även den minsta variationen, eftersom längre armar ger möjlighet till mindre mätningar.

En laserstråle skickas ner i en arm av interferometern, som delas i två. Båda strålarna reflekteras sedan tillbaka efter att ha träffat en spegel.

Normalt bör varje laserstråle släcka ut den andra.

Men om en arm kontraheras eller förlängs mer än den andra av en gravitationsvåg, upphör interferensen mellan laserstrålarna, och en ljussignal detekteras.

Källa: Nobel Prize

År 2015 bekräftade USA:s National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) upptäckten av vågorna skapade av kollisionen av svarta hål 1,3 miljarder ljusår från jorden.

Det banbrytande arbetet gav fysikerna Rainer Weiss, Barry Barish och Kip Thorne Nobelpriset i fysik 2017.

Bygga LIGO

I princip är LIGO ett relativt enkelt koncept, som är lätt att förstå så snart vi har lyckats greppa konceptet gravitationsvågor och har en grundläggande förståelse för ljus och laser.

Att bygga ett system så exakt att det kan upptäcka en längdvariation på 1/10 000 ths av en atom är en annan historia.

Två liknande anläggningar byggdes, en i nordvästra USA och en i Louisiana, separerade med cirka 3 000 km (1 860 mil).

Källa: Nobel Prize

Den dubbla anläggningen fungerar som bekräftelse, eftersom deras stora avstånd innebär att en gravitationsvåg har en sju sekunders “fördröjning” mellan de två, samtidigt som den genererar samma signal.

Så, medan en enda upptäckt alltid kan betraktas som ett möjligt fel eller en lokal störning, är exakt samma händelse på båda sidor av USA vid den förutsagda tidsintervallet nästan omöjlig.

De dubbla anläggningarna ger också en ovärderlig fördel: möjligheten att triangulera signalen. Detta låter oss begränsa regionen på himlen där signalen kan komma ifrån, vilket senare identifieras av “vanliga” astronomer som hittar vilket stjärnobjekt som kan vara ansvarigt.

LIGOs sökande efter oöverträffad mätnoggrannhet

Det första tekniska hindret är att laserljusets våglängd och intensitet måste vara så stabila som möjligt. Utan detta kan slumpmässiga fluktuationer misstolkas som en gravitationsvågsignal.

Sedan måste strålen träffa de upphängda speglarna exakt. Dessa speglar får aldrig röra sig alls.

De bör knappt skaka alls, inte ens när löv faller från närliggande träd, ett barn springer förbi, eller en lastbil passerar på en avlägsen väg. Samtidigt måste dessa hängande speglar vara fria att svänga med passage av gravitationsvågor.

Mindre variationer som inte beror på gravitation måste också kompenseras för, till exempel:

• Den termiska rörelsen av atomer på speglarnas yta
• Kvantmekaniska effekter i lasern.
• Seismiska skakningar.
• Alla luftföroreningar skulle störa, vilket kräver att hela experimentet utförs i massiva vakuumrör.

I teorin skulle armar längre än 4 km ge ännu mer precisa mätningar, men i praktiken finns en praktisk gräns för hur stor en interferometer kan byggas.

Som ett resultat blev det snabbt tydligt att, förutom de preliminära arbetena, krävde detta projekt mycket mer budget och teknisk expertis än ett litet forskarteam kunde tillhandahålla.

Så år 1994 förvandlade forskaren Barry Barish från CalTech den lilla forskargruppen på cirka 40 personer till ett storskaligt internationellt samarbete med mer än tusen deltagare, med en initial finansiering på 395 M $.

Det skulle kräva totalt 200 M $ för att uppnå genombrottet 2015, när LIGO fick 10‑ gånger kraftfullare laser, speglar på 40 kg, mycket avancerad brusfiltrering och ett av världens största vakuumsystem.

Seismisk stabilisering

Eftersom jorden aldrig är helt stabil är inte LIGOs speglar stabila utan seismiska stabilisatorer.

Ett första system för passiv vibrationsreducering installerades på speglarna: ett komplext pendelsystem som absorberar vibrationer och hindrar dem från att överföras till nästa del.

Kombinerat är denna struktur så effektiv på att minska vibrationer att allt som finns på toppen av upphängningen blir 100 miljoner gånger mindre när det når testmassan.

Källa: LIGO

Även detta var inte tillräckligt, så det kompletteras även med ett aktivt stabiliseringssystem. Seismometrar runt varje observatorium känner av en rad markrörelser, skickar sedan dessa signaler till en dator som kombinerar dem och bestämmer motrörelser.

Källa: LIGO

Vikten av avsaknad av vibration var ett viktigt kriterium när man valde en plats för att bygga interferometrarna. De behövde inte bara mycket fri yta, utan också ingen mänsklig aktivitet som genererade många vibrationer, motsvarande ljusförorening för gravitationsvågsdetektioner.

Optik

Varje optikväg väger 40 kg och hänger i botten av upphängningarna. LIGOs optik är tillverkad av ultrarena material i nanometer‑tjocka lager. De är belagda med material som reflekterar alla men en av varje 5 miljoner fotoner som träffar dem!

Laser

Kärnan i experimentet, laserna, måste ha en mycket stabil våglängd för att hålla interferensmönstret konsekvent, och bara se det störas av gravitationsvågor.

Komersiella laser skulle inte ha varit så precisa. Så LIGOs laser konstruerades speciellt för att vara en av de mest stabila, rena laserna av sitt slag som någonsin uppfunnits.

Vakuum

För att minska eventuell interferens från luft eller svävande partiklar körs testerna i ultrahögt vakuum.

Det tar också bort risken för damm som samlas på speglarna, vilket skulle förbrännas av lasern och förstöra de 2 M $‑värda speglarna.

Atmosfärstrycket i LIGOs armar är en biljondel av havsnivå, vilket betyder att det bara finns cirka 10 miljoner molekyler per kubikcentimeter.

LIGOs prestationer

Efter den initiala upptäckten av svarta hål som kolliderade 2015, mätte observatoriet många andra högenergi‑händelser i universum:

• En annan sammansmältning av svarta hål 2016, vardera omkring 30 solmassor, lokaliserades så långt som 1,3 miljarder ljusår, nästan 1/10 av avståndet till hela det observerbara universum.
• En tredje och sedan en fjärde sammansmältning av svarta hål 2017.

Efter detta stängdes LIGO för förbättringar fram till 2019, innan pandemin avbröt verksamheten. Forskare utnyttjade tillfället för ytterligare förbättringar och lade till nätverket VIRGO, den europeiska syster-anläggningen utanför Pisa i Italien.

LIGOs framtid

Tidigare förbättringar har lett LIGO till att göra inte mindre än 79 upptäckter av gravitationsvågor de senaste åren, vilket skapat en omfattande katalog av händelser med neutronstjärnor och svarta hål för andra astronomer att identifiera exakt och förstå bättre.

En framtida viktig uppgradering blir ersättningen av den nuvarande 40 kg‑spegeln med 100 kg‑speglar, tillsammans med mycket större upphängningssystem.

Den extra känsligheten bör hjälpa till att hitta mer information om gravitation i universum.

Ett annat forskningsområde är ”burst‑gravitationsvågor”. Dessa kortvariga vågor från okända eller oförutsedda källor är endast teoretiska och svåra att upptäcka, så analytikerna som driver LIGO måste vara öppna för vad som är eller inte är en giltig signal.

“Vi kan också upptäcka gravitationsvågor från system vi aldrig tidigare känt till. För att söka efter dessa typer av gravitationsvågor kan vi inte anta att de har väl definierade egenskaper som de som LIGO‑forskare tidigare har modellerat. Detta betyder att vi inte kan begränsa våra analyser till att bara söka efter signaturerna av gravitationsvågor som forskare har förutspått.”

Andra gravitationsvågsdetektorer

Nästa generation av interferometrar diskuteras också, särskilt Cosmic Explorer, en interferometer med 40 km‑långa armar, eller Einstein Telescope, en triangulär detector med 10 km‑långa armar begravda djupt under jord.

Ett annat projekt som kan ses i framtiden är en enorm rymdbaserad gravitationsvågsdetektor: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Det designas och testas redan av ett av ESA‑ledda företag som kommer att operera tre rymdfarkoster i en triangulär formation, med avståndet mellan varje satellit på 2,5 miljoner kilometer.

Swipe to scroll →

Slutsats

LIGO är ett mycket imponerande projekt, eftersom det gick från att vara ett experiment av en helt ny sort till omedelbart bekräfta existensen av gravitationsvågor.

Ett projekt som LIGO kan vid första anblicken verka rent akademiskt. Detta är sällan fallet, även om de direkta tillämpningarna kan verka svåra att föreställa sig i början.

Till exempel används Einsteins relativitetsteori idag rutinmässigt för att kalibrera GPS‑satelliternas positioner, en tillämpning som var svår att föreställa sig som ett dagligt kommersiellt behov år 1919.

På liknande sätt driver LIGO forskare att uppfinna allt mer precisa speglar, stabiliseringssystem och laser, med världsledande ingenjörsnivåer.

Dessa innovationer kommer sannolikt att ge frukt i all teknik som använder dessa enheter, inklusive avancerad databehandling eller rymdteknik.

Investering i avancerad optik

Corning Incorporated

När teleskop driver vad som är möjligt inom precisionsframställning av avancerat glas, öppnar det också många industriella möjligheter i sektorer så varierade som bilindustri, halvledare, AI, försvar, bioteknik, sjukvård osv. Den avancerade optikmarknaden är en 310 miljarder dollar stor marknad, förväntas växa med 9,2 % CAGR till 2032.

Corning är ett glas‑ och optikföretag som har funnits i 170 år. Under sin historia producerade de de första glödlamporna för Thomas Edisons elektriska ljus, den första lågt förluster‑optiska fibern, de cellulära substraten som möjliggör katalysatorer, och det första skaderesistenta skyddsglaset för mobila enheter.

Källa: Corning

Idag fokuserar företaget på kärnteknologierna för tillverkning av glas och keramik samt optisk fysik, som delar gemensamma tillverkningsprocesser och slutmarknader.

Källa: Corning

Denna sammankoppling av teknologier gör att företaget kan dela gemensam tillverkning, forskning och ingenjörskapacitet mellan sina olika produktlinjer. Med över 52 000 anställda, mer än 77 tillverkningsanläggningar världen över och över 10 forsknings‑ och utvecklingsanläggningar är företaget en stor aktör i sin nisch.

Källa: Corning

Företaget drar nytta av boomen inom AI och byggandet av datacenter (optiska fibrer), samt den totala konsumtionen av specialglas i skärmar och bioteknik.

Corning bör inte påverkas mycket av tullar, eftersom 90 % av de amerikanska intäkterna kommer från produkter med amerikanskt ursprung. Mycket lite av försäljningen i Kina kom från amerikanska anläggningar, med 80 % av den kinesiska försäljningen gjord i Kina.

Tullar kan till och med hjälpa, eftersom Corning går in på solpanelmarknaden, med strategisk kontroll av Hemlock Solar, för att producera amerikanskt tillverkade paneler, då asiatiska solpaneler (inte bara kinesiska) utsätts för fyrsiffriga tullar. 80 % av kapaciteten har redan säkrats av kundåtaganden.

Solenergi är mycket logiskt för företaget, med kisel som en kärnkompetens i företagets tillverkning, de har producerat polysilikon i 60 år, inklusive ultrarent kisel (99,9999999999 % rent) och lanserar nu produktion av kiselplattor, en produkt som importeras till 100 % i USA.

Källa: Corning

Företaget tittar också på andra avancerade teknologier där deras expertis inom glas och keramik kan ge en solid fördel, inklusive böjligt glas, AR, koldioxidinfångning med mera.

Källa: Corning

Sammanfattningsvis är Corning ett djupt tekniskt företag, med lokaliserad tillverkning som inte bör lida av deglobalisering. Det omfamnar också nya marknader som matchar dess kärnkompetenser, särskilt solenergi och optisk kommunikation / AI‑infrastruktur. Detta gör det både till ett relativt konservativt företag som gräver djupare i sin nisch, men också en potentiell tillväxtaktie på högteknologiska marknader.

Senaste nyheter och utveckling för Corning Inc. (GLW) aktier