LIGO: Pagtuklas ng mga Alon ng Grabidad gamit ang Precise na Optika

Pagtingin sa Grabidad: Paano Nakakakita ang LIGO ng mga Alon ng Grabidad

Ang kasaysayan ng astronomiya ay kaugnay ng pag-unlad ng mga teleskopyo, na unti‑unting nagbubunyag ng mas marami pang bahagi ng Uniberso sa atin. Nagsimula ito sa simpleng teleskopyong ginamit nina Galileo at iba pang mga nanguna, at patuloy hanggang ngayon.

Nabigyan na namin ng pansin ang ilang mga bagong megaproject ng teleskopyo, halimbawa:

• DKIST, ang pinakamakapangyarihang solar na teleskopyo sa mundo.
• The James Webb Space Telescope, na matatagpuan milyong milyang layo mula sa Earth.
• The Vera C. Rubin Observatory, isang survey na teleskopyo na tumitingin sa buong kalangitan nang sabay-sabay.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), na nag-aaral ng kalangitan sa spektrum ng radyo.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), na nagtatuklas ng mahirap hulihin na mga neutrino.

Isang bagong uri ng astronomiya ang sumisibol, na nag-aaral nito sa isang ganap na kakaibang paraan: sa halip na liwanag at haba ng alon ng elektromagnetikong alon, sinusukat nito ang mga alon ng grabidad.

Noong una ay teoretikal lamang hanggang kamakailan, ngayon ang mga alon ng grabidad ay napatunayang phenomenon. Isang proyekto ang naghahanap ng mga paraan upang sukatin ang mga ito: ang Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Pagsukat ng Grabidad gamit ang Astronomiyang Alon ng Grabidad

Matagal nang pinaniniwalaan na ang grabidad ay “basta” isa lamang sa mga pangunahing puwersa ng Uniberso, tulad ng elektromagnetismo o ang puwersang nag-uudyok ng nuclear forces sa antas ng atom.

Ngunit sa pagpasok ng ika‑20^th siglo, inilarawan ng teorya ng relatibidad ni Einstein ang grabidad bilang pagkurba ng espasyo-oras.

Hindi lamang tama ang kanyang teorya sa paglalarawan kung paano gumagana ang grabidad para sa napakalaking bagay tulad ng mga bituin, kundi nagpanukala rin ito ng maraming pang‑espasyo na phenomena na hindi pa natuklasan noon, tulad ng neutron stars at black holes.

Isa pang prediksyon ay ang mga alon ng grabidad, na nagiging sanhi ng pag‑uunat at pag‑ikip ng espasyo na parang mga alon na kumakalat sa ibabaw ng isang lawa.

Hindi tulad ng karaniwang alon ng liwanag o kahit ng alon sa dagat, ang alon ng grabidad ay hindi dinadala ng anumang partikulo. Sa halip, nangyayari ang alon ng grabidad kapag ang tela ng espasyo-oras mismo ay kumikilos o nanginginig.

May ilang pangyayari na malamang na sapat na kalaki upang lumikha ng mga alon ng grabidad na sapat ang lakas para masukat, tulad ng, halimbawa, ang banggaan ng dalawang black holes sa isa’t isa.

Gayunpaman, gaano man kalakas ang phenomenon na iyon sa absolutong sukatan, ang napakalaking distansya sa pagitan ng Earth at ng pinagmulan nito, at ang kahirapan ng pagsukat mismo ng espasyo-oras, ay nangangahulugang kailangang idisenyo ang isang napaka‑sensitibong instrumento upang matuklasan ang mga pangyayaring ito.

Sa pagdating ng mga alon ng grabidad sa Earth, na milyun‑milyong o bilyong light years ang layo, sila ay libu‑libong bilyon beses na mas maliit.

Ito ang dahilan kung bakit isang instrumento na kahanga‑hanga tulad ng LIGO ay naiisip.

Para sa mga alon ng grabidad mula sa unang deteksyon ng LIGO, ang dami ng pag‑ugoy ng espasyo-oras na kanilang nilikha ay 10,000 beses mas maliit kaysa sa nucleus ng isang atom!

Paano Nakakakita ang mga Interferometer ng mga Alon ng Grabidad

Ang unang hindi direktang patunay ng mga alon ng grabidad ay nakuha sa pag-aaral ng orbit ng isang binary pulsar. Ang pagkawala ng enerhiya dahil sa orbital decay ay tumugma sa inaasahang enerhiya na mawawala sa pagbuo ng mga alon ng grabidad, na nagbigay sa mga siyentistang namuno sa pagtuklas na ito ng Nobel Prize sa Physics noong 1993.

Pinagmulan: Nobel Prize

Ang direktang pagsukat ay nangangailangan ng ibang uri ng patunay, gamit ang isang interferometer. Ang pangunahing ideya ng interferometer ay gamitin ang interaksyon sa pagitan ng mga sinag ng liwanag. Kung ang dalawang alon ng liwanag ay may parehong haba ng alon, mag‑overlap ito at lilikha ng pattern ng madidilim at maliwanag na mga tuldok.

Ngunit kung may nagbabago sa mga haba ng alon na ito, maaaring masukat ang pagkagambala.

Habang ang pag‑uunat at pag‑ikip ng espasyo-oras mula sa mga alon ng grabidad ay nag‑eexpand at nag‑ko‑contract ng isa sa mga braso ng interferometer nang higit kaysa sa isa, ito ay lumilikha ng isang nasusukat at natutuklasang epekto ng mga alon ng grabidad.

LIGO – Isang Tagumpay na Nagkamit ng Nobel

Sa pinakasimpleng anyo, ang LIGO ay binubuo ng 2 mahabang braso, na may ilaw na ipinapadala dito, bawat isa ay may sukat na 4 km, o 2 ½ milya. Ang sukat ng braso ay tumutulong sa pag‑detect ng kahit pinakamaliit na pagbabago, dahil mas mahaba ang mga braso, mas maliit ang sukat na maaaring masukat.

Isang laser beam ang ipinapadala sa isang braso ng interferometer, na hinahati sa dalawa. Ang parehong mga sinag ay pagkatapos ay nire‑reflect pabalik matapos tumama sa isang salamin.

Karaniwan, ang bawat laser beam ay dapat magkansela sa isa’t isa.

Ngunit kung ang isang braso ay na‑contract o na‑extend nang higit kaysa sa isa dahil sa alon ng grabidad, ang interference sa pagitan ng mga laser beam ay humihinto, at isang signal ng liwanag ang nadedetect.

Pinagmulan: Nobel Prize

Noong 2015, ang U.S. National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational‑Wave Observatory (NSF LIGO) ay kinumpirma ang deteksyon ng mga alon na nilikha ng banggaan ng mga black hole na 1.3 bilyong light‑years mula sa Earth.

Ang groundbreaking na gawaing ito ay nag‑award kay mga physicist na sina Rainer Weiss, Barry Barish, at Kip Thorne ng Nobel Prize sa physics noong 2017.

Pagbuo ng LIGO

Sa prinsipyo, ang LIGO ay isang medyo simpleng konsepto, na madaling maunawaan kapag naunawaan na natin ang konsepto ng mga alon ng grabidad at may kaunting kaalaman tungkol sa liwanag at mga laser.

Ang pagbuo ng isang sistemang napakapriskiso upang makadetect ng pagbabago sa haba na 1/10,000 ng isang atom ay ibang usapan.

Dalawang magkatulad na pasilidad ang itinayo, isa sa hilagang‑kanlurang USA at isa sa Louisiana, na may pagitan na humigit‑kumulang 3,000 km (1860 milya).

Pinagmulan: Nobel Prize

Ang dobleng pasilidad ay nagsisilbing kumpirmasyon, dahil ang kanilang malaking distansya ay nangangahulugang ang alon ng grabidad ay magkakaroon ng pitong segundo na “pagkaantala” sa pagitan ng dalawa, habang lumilikha ng parehong signal.

Kaya, bagaman ang isang deteksyon lamang ay maaaring ituring na posibleng error o lokal na perturbasyon, ang parehong pangyayari na nangyayari sa parehong panig ng USA sa eksaktong tinantyang oras ay halos imposibleng mangyari.

Ang dobleng pasilidad ay nagbibigay din ng napakahalagang bentahe: ang posibilidad na i‑triangulate ang signal. Pinapayagan tayo nitong paliitin ang rehiyon ng kalangitan kung saan maaaring nagmula ang signal, na kalaunan ay matutukoy ng mga “regular” na astronomo na hahanapin kung anong stellar object ang maaaring responsable.

Pagsisikap ng LIGO para sa Walang Katulad na Katumpakan sa Pagsukat

Ang unang teknikal na hamon ay ang haba ng alon at intensidad ng laser light ay kailangang kasing‑stableng posible. Kung wala ito, ang mga random na pag‑fluctuate ay maaaring ma‑interpret bilang signal ng alon ng grabidad.

Pagkatapos, ang sinag ay dapat tumama nang eksakto sa mga nakasuspindeng salamin. Ang mga salaming ito ay hindi dapat gumalaw kailanman.

Dapat halos hindi sila gumalaw, kahit na may mga dahong bumabagsak mula sa mga kalapit na puno, isang bata na tumatakbo, o isang trak na dumadaan sa malayong daan. Kasabay nito, ang mga nakasabit na salaming ito ay dapat malayang gumalaw kasabay ng pagdaan ng mga alon ng grabidad.

Ang maliliit na pagbabago na hindi dulot ng grabidad ay kailangang i‑compensate, halimbawa:

• Ang thermal na paggalaw ng mga atom sa ibabaw ng mga salamin
• Mga quantum effect sa laser.
• Seismic na pagyanig.
• Anumang dumi sa hangin ay makakagambala, kaya kinakailangan isagawa ang buong eksperimento sa napakalaking vacuum tubes.

Sa teorya, ang mga braso na mas mahaba kaysa 4 km ay magbibigay ng mas tumpak na pagsukat, ngunit sa praktika, may praktikal na limitasyon kung gaano kalaki ang maaaring itayo na interferometer.

Bilang resulta, agad na lumitaw na, bukod sa mga paunang gawain, ang proyektong ito ay nangangailangan ng mas malaking budget at teknikal na kadalubhasaan kaysa kayang ibigay ng isang maliit na pangkat ng mananaliksik.

Kaya noong 1994, ang siyentistang si Barry Barish mula sa CalTech ay nagbago ng maliit na pangkat ng mga mananaliksik na humigit‑kumulang 40 katao tungo sa isang malakihang internasyonal na kolaborasyon na may higit sa isang libong kalahok, na may paunang $395M na pondo.

Kailangan nito ng kabuuang $200M upang makamit ang breakthrough noong 2015, kung kailan ang LIGO ay nakatanggap ng 10 beses na mas malalakas na laser, mga salaming may bigat na 40 kilo, napaka‑advanced na noise filtering, at isa sa pinakamalaking vacuum system sa mundo.

Stabilisasyon ng Seismic

Dahil ang Earth ay hindi kailanman ganap na matatag, gayundin ang mga salamin ng LIGO kung walang seismic stabilizers.

Isang unang sistema ng passive vibration reduction ang inilagay sa mga salamin: isang komplikadong pendulum system na sumisipsip ng pagyanig at humaharang sa paglipat nito sa susunod na bahagi.

Pinagsama, ang estrukturang ito ay napaka‑epektibo sa pagbawas ng pagyanig na anumang naroroon sa tuktok ng suspensyon ay nagiging 100‑milyong beses na mas maliit pagdating nito sa mismong test mass.

Pinagmulan: LIGO

Kahit ito ay hindi pa sapat, kaya ito ay kinumpleto rin ng isang active stabilization system. Ang mga seismometer sa paligid ng bawat observatory ay nakaka‑sense ng iba’t‑ibang galaw ng lupa, pagkatapos ay ipinapadala ang mga signal na ito sa isang computer na pinagsasama ang mga ito at tinutukoy ang mga kontra‑galaw.

Pinagmulan: LIGO

Ang kahalagahan ng kawalan ng pagyanig ay isang mahalagang pamantayan sa pagpili ng lokasyon para itayo ang mga interferometer. Hindi lamang kailangan nila ng maraming libreng espasyo, kundi pati na rin walang aktibidad ng tao na nagdudulot ng maraming pagyanig, na katumbas ng light pollution para sa deteksyon ng mga alon ng grabidad.

Optika

May bigat na 40kg bawat isa, at nakasabit sa ibaba ng mga suspensyon, ang optika ng LIGO ay gawa sa ultra‑pure na mga materyales na inilatag sa mga patong na may kapal na nanometer. Sila ay may coating na mga materyales na nagre‑reflect sa lahat maliban sa isa sa bawat 5 milyong photon na tumama sa kanila!

Laser

Ang core ng eksperimento, ang mga laser, ay kailangang magkaroon ng napakastableng haba ng alon upang mapanatiling pare‑pareho ang interference pattern, at tanging makita itong nababago ng mga alon ng grabidad.

Ang mga komersyal na laser ay hindi magiging ganoon ka‑presiso. Kaya ang laser ng LIGO ay espesyal na dinisenyo upang maging isa sa pinaka‑stable, pinakamalinis na laser ng kanyang uri na kailanman naimbento.

Baku

Upang mabawasan ang anumang interference mula sa hangin o mga lumulutang na particle, isinasagawa ang mga pagsubok sa ultra‑high vacuum na kondisyon.

Inaalis din nito ang panganib ng pag‑ipon ng alikabok sa mga salamin, na maaaring masunog ng laser at sirain ang $2M na mga salamin.

Ang atmospheric pressure sa loob ng mga braso ng LIGO ay isang‑trilyonth ng sa sea level, na nangangahulugang may humigit‑kumulang 10 milyong molekula bawat cubic centimeter.

Mga Tagumpay ng LIGO

Pagkatapos ng unang pagtuklas ng banggaan ng mga black hole noong 2015, sinukat ng observatoryo ang marami pang iba pang high‑energy na pangyayari sa Uniberso:

• Isa pang pagsasanib ng black hole noong 2016, bawat isa na may humigit‑kumulang 30 solar masses, ay natagpuan sa layo na 1.3 bilyong light‑years, o halos 1/10 ng distansya ng buong nakikitang uniberso.
• Isang ikatlo at pagkatapos ay ika‑apat na pagsasanib ng black hole noong 2017.

Pagkatapos nito, isinara ang LIGO para sa pagpapabuti hanggang 2019, bago ito naantala ng pandemya. Ginamit ng mga siyentista ang pagkakataon upang magsagawa ng karagdagang pagpapabuti at idagdag sa network ang VIRGO, ang European sister facility sa labas ng Pisa sa Italya.

Hinaharap ng LIGO

Ang mga nakaraang pagpapabuti ay nagdala sa LIGO na makagawa ng hindi bababa sa 79 na deteksyon ng mga alon ng grabidad sa mga nagdaang taon, na lumilikha ng isang malawak na katalogo ng mga pangyayari na kinabibilangan ng neutron stars at black holes para sa ibang astronomo na matukoy nang eksakto at mas maunawaan.

Isang mahalagang upgrade sa hinaharap ay ang pagpapalit ng kasalukuyang 40k na salamin ng mga 100kg na salamin, kasama ang mas malalaking suspension system.

Ang dagdag na sensitivity ay dapat makatulong sa paghahanap ng karagdagang impormasyon tungkol sa grabidad sa Uniberso.

Isa pang larangan ng pananaliksik ay ang “burst gravitational waves”. Ang mga maikling‑tagal na alon mula sa mga hindi kilala o hindi inaasahang pinagmulan ay teoretikal lamang at mahirap matuklasan, kaya ang mga analyst na nagpapatakbo ng LIGO ay kailangang maging bukas‑isip tungkol sa kung ano ang balido o hindi balidong signal.

“Maaari rin naming matuklasan ang mga alon ng grabidad mula sa mga sistema na hindi pa namin alam dati. Upang maghanap ng ganitong uri ng mga alon ng grabidad, hindi namin maaaring ipalagay na magkakaroon sila ng malinaw na katangian tulad ng mga naunang modelo ng mga siyentistang LIGO.

Ibig sabihin, hindi namin maaaring limitahan ang aming mga pagsusuri sa paghahanap lamang ng mga lagda ng mga alon ng grabidad na inihula ng mga siyentista.”

Iba pang mga Detector ng Alon ng Grabidad

Ang susunod na henerasyon ng mga interferometer ay pinag‑uusapan din, partikular ang Cosmic Explorer, isang interferometer na may 40‑km‑na mahabang mga braso, o ang Einstein Telescope, isang triangular na detector na may 10 km‑na mahabang mga braso na nakabaon nang malalim sa ilalim ng lupa.

Isa pang proyektong maaaring makita sa hinaharap ay isang napakalaking space‑based na detector ng alon ng grabidad: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Ito ay kasalukuyang dinidisenyo at sinusubukan ng isang European Space Agency‑led na venture na magpapatakbo ng tatlong spacecraft sa isang triangular na pormasyon, kung saan ang distansya sa pagitan ng bawat satellite ay 2.5 milyong kilometro.

I‑swipe upang mag‑scroll →

Konklusyon

Ang LIGO ay isang napakakahanga‑hanging proyekto, dahil ito ay nagmula sa pagiging isang unang‑klaseng eksperimento hanggang sa agad na patunayan ang pag‑iral ng mga alon ng grabidad.

Ang isang proyektong tulad ng LIGO ay maaaring sa unang tingin ay mukhang purong akademiko. Ito ay bihirang mangyari, bagaman ang mga direktang aplikasyon ay maaaring mukhang mahirap isipin sa simula.

Halimbawa, ang teorya ng relatibidad ni Einstein ay ngayon regular na ginagamit upang i‑calibrate ang posisyon ng mga GPS satellite, isang aplikasyon na mahirap isipin bilang pang‑araw‑araw na pang‑komersyal na pangangailangan noong 1919.

Gayundin, itinutulak ng LIGO ang mga siyentista na lumikha ng mas lalong tumpak na mga salamin, mga sistema ng stabilisasyon, at mga laser, na may world‑class na antas ng engineering.

Ang mga inobasyong ito ay malamang na magbunga sa anumang teknolohiya na gumagamit ng mga aparatong ito, kabilang ang advanced computing o mga teknolohiyang pang‑kalawakan.

Pamumuhunan sa Advanced Optics

Corning Incorporated

Habang itinutulak ng mga teleskopyo ang kung ano ang posible sa precision manufacturing ng advanced glass, nagbubukas ito ng maraming posibilidad sa industriya sa mga sektor tulad ng automotive, semiconductors, AI, depensa, biotech, healthcare, atbp. Ang advanced optic market ay $310B na merkado, inaasahang lalago ng 9.2% CAGR hanggang 2032.

Ang Corning ay isang kumpanya ng salamin at optika na umiiral na ng 170 taon. Sa kasaysayan nito, ito ang gumawa ng unang glass bulbs para sa electric light ni Thomas Edison, ang unang low‑loss optical fiber, ang mga cellular substrate na nagpapahintulot sa catalytic converters, at ang unang damage‑resistant cover glass para sa mga mobile device.

Pinagmulan: Corning

Sa ngayon, nakatuon ang kumpanya sa mga core technology ng paggawa ng salamin at ceramics, at mga teknolohiyang optical physics, na nagbabahagi ng mga karaniwang proseso ng paggawa at mga end market.

Pinagmulan: Corning

Ang interkoneksyon ng mga teknolohiyang ito ay nagpapahintulot sa kumpanya na magbahagi ng mga karaniwang manufacturing, research, at engineering capabilities sa pagitan ng iba’t‑ibang linya ng produkto nito. Sa 52,000+ na empleyado, 77+ manufacturing sites sa buong mundo, at 10+ R&D facilities, ang kumpanya ay isang malaking manlalaro sa kanyang niche.

Pinagmulan: Corning

Nakikinabang ang kumpanya mula sa boom ng AI at pagtatayo ng data center (optical fibers), pati na rin sa pangkalahatang konsumo ng specialty glass sa mga screen at biotechnology.

Hindi gaanong maaapektuhan ng taripa ang Corning, dahil 90% ng kita sa US ay nagmumula sa mga produktong may US origin. Kaunti lamang sa mga benta sa China ang nagmula sa US facilities, kung saan 80% ng benta sa China ay ginawa sa China.

Maaaring makatulong pa ang mga taripa, dahil ang Corning ay pumapasok sa merkado ng solar panel, sa pamamagitan ng strategic control ng Hemlock Solar, upang gumawa ng US‑made na mga panel, habang ang mga Asian solar panel (hindi lamang Chinese) ay sumasailalim sa quadruple‑digit na taripa. 80% ng kapasidad ay nakasecure na sa pamamagitan ng mga pangako ng mga customer.

Ang solar ay may malaking kahulugan para sa kumpanya, dahil ang silicon ay bahagi ng core manufacturing expertise ng kumpanya, na gumagawa ng polysilicon sa loob ng 60 taon, kabilang ang ultra‑pure silicon (99.9999999999% purong) at ngayon ay naglulunsad ng produksyon ng silicon wafer, isang produktong ina‑import ng 100% sa USA.

Pinagmulan: Corning

Ang kumpanya ay tumitingin din sa iba pang advanced na teknolohiya kung saan ang kanilang kadalubhasaan sa salamin at ceramics ay maaaring magbigay ng matibay na kalamangan, kabilang ang bendable glass, AR, carbon capture, atbp.

Pinagmulan: Corning

Sa pangkalahatan, ang Corning ay isang lubos na teknikal na kumpanya, na may localized manufacturing na hindi dapat maapektuhan ng deglobalization. Tinanggap din nito ang mga bagong merkado na tumutugma sa core competencies nito, partikular ang solar at optical communication / AI infrastructure. Ginagawa nitong parehong isang medyo konserbatibong kumpanya na patuloy na lumalalim sa kanyang niche, ngunit isa ring potensyal na growth stock sa mga high‑tech na merkado.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng Corning Inc. (GLW)