LIGO: Hassas Optiklerle Gravitasyon Dalgalarını Algılamak

Yerçekimini Görmek: LIGO Gravitasyon Dalgalarını Nasıl Algılar

Astronomi tarihi, teleskopların ilerlemesiyle yakından ilişkilidir ve bu sayede evrenin giderek daha fazla kısmını bize ortaya çıkarmıştır. Galileo ve diğer öncülerinin ilkel teleskoplarıyla başladı ve günümüze kadar devam etmektedir.

Bu tür yeni teleskop mega projelerinden birkaçını ele aldık, örneğin:

• DKIST, dünyanın en güçlü güneş teleskobu.
• The James Webb Space Telescope, Dünya’dan milyonlarca mil uzakta konumlanmıştır.
• The Vera C. Rubin Observatory, tüm gökyüzünü bir anda gözlemleyen bir tarama teleskobudur.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), gökyüzünü radyo dalga spektrumunda inceliyor.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), kaçınılmaz nötrinoları tespit ediyor.

Tamamen yeni bir astronomi türü ortaya çıkıyor; ışık ve elektromanyetik dalga boyları yerine, gravitasyon dalgalarını ölçen bir yaklaşım.

Yalnızca teorik bir kavram iken, son zamanlarda gravitasyon dalgaları kanıtlanmış bir fenomen haline geldi. Bu dalgaları ölçmenin yollarını araştıran bir proje var: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Gravitasyon Dalgası Astronomisi ile Yerçekimini Ölçmek

Yerçekiminin uzun süredir evrenin temel kuvvetlerinden sadece biri olduğu, elektromanyetizma ya da atom seviyesindeki nükleer kuvvetleri yönlendiren güç gibi kabul edilirdi.

Ancak 20^th yüzyılın başında, Einstein’ın görelilik teorisi yerçekimini uzay-zamanın eğriliği olarak tanımladı.

Teorisi yalnızca yıldızlar gibi çok büyük nesnelerde yerçekiminin nasıl çalıştığını doğru bir şekilde açıklamakla kalmadı, aynı zamanda o dönemde henüz keşfedilmemiş birçok uzay fenomenini, örneğin nötron yıldızları ve kara delikleri, öngördü.

Başka bir öngörü ise uzayın bir göl yüzeyinde dalgalar gibi genişleyip sıkışmasına neden olan gravitasyon dalgalarıydı.

Düzenli bir ışık dalgası ya da hatta bir okyanus su dalgası gibi olmayan bir gravitasyon dalgası, herhangi bir parçacık tarafından taşınmaz. Bunun yerine, bir gravitasyon dalgası, uzay-zaman dokusunun kendisinin dalgalanması ya da titreşmesiyle ortaya çıkar.

Ölçülebilecek kadar güçlü gravitasyon dalgaları üretecek kadar büyük bir olay, örneğin iki kara deliğin çarpışması gibi, muhtemelen gerçekleşir.

Bununla birlikte, böyle bir fenomen ne kadar güçlü olursa olsun, Dünya ile kaynağı arasındaki devasa mesafe ve uzay-zamanı ölçme zorluğu, bu olayları tespit etmek için ultra hassas bir cihaz tasarlanması gerektiği anlamına gelir.

Gravitasyon dalgaları Dünya’ya, milyonlarca ya da milyarlarca ışık yılı uzakta ulaştığında, binlerce milyar kat daha küçüktür.

Bu yüzden LIGO gibi etkileyici bir cihaz kavramsallaştırılmıştır.

LIGO’nun ilk tespitindeki gravitasyon dalgaları için, ürettikleri uzay-zaman salınımı, bir atom çekirdeğinden 10.000 kat daha küçüktü!

İnterferometreler Gravitasyon Dalgalarını Nasıl Algılar

Gravitasyon dalgalarının ilk dolaylı kanıtı, ikili pulsarın yörüngesinin incelenmesiyle elde edildi. Yörüngesel çürüme enerjisi kaybı, gravitasyon dalgalarının üretilmesiyle kaybedilecek tahmini enerjiyle eşleşti ve bu keşfin sorumlusu bilim insanları 1993 Fizik Nobel Ödülü’nü kazandı.

Kaynak: Nobel Prize

Doğrudan ölçüm, bir interferometre kullanarak farklı bir kanıt türü gerektirdi. Bir interferometrenin temel fikri, ışık ışınları arasındaki etkileşimi kullanmaktır. İki ışık dalgasının aynı dalga boyuna sahip olması durumunda, üst üste biner ve karanlık ve aydınlık noktalar oluşturur.

Ancak bir şey bu dalga boylarını değiştirirse, bozulma ölçülebilir.

Gravitasyon dalgalarından kaynaklanan uzay-zamanın genişlemesi ve büzülmesi, interferometrenin kollarından birini diğerine göre daha fazla genişletip büzdüğünden, bu durum ölçülebilir bir gravitasyon dalgası etkisi yaratır.

LIGO – Nobel Ödüllü Bir Başarı

En basit haliyle, LIGO iki uzun kola sahiptir; ışık bu kollara gönderilir ve her biri 4 km, yani 2,5 mil uzunluğundadır. Kolun ölçeği, en ufak değişikliği bile tespit etmeye yardımcı olur; kol ne kadar uzun olursa, ölçüm o kadar küçük olur.

Bir lazer ışını interferometrenin bir koluna gönderilir ve ikiye bölünür. Her iki ışın da bir ayna çarptıktan sonra geri yansıtılır.

Normalde, her iki lazer ışını birbirini iptal etmelidir.

Ancak bir kol, gravitasyon dalgası tarafından diğerine göre daha fazla büzülür ya da uzatılırsa, lazer ışınları arasındaki girişim durur ve bir ışık sinyali tespit edilir.

Kaynak: Nobel Prize

2015 yılında, ABD Ulusal Bilim Vakfı Lazer İnterferometre Gravitasyon Dalgası Gözlemevi (NSF LIGO), Dünya’dan 1,3 milyar ışık yılı uzakta gerçekleşen kara delik çarpışmasıyla oluşan dalgaların tespitini doğruladı.

Bu çığır açan çalışma, fizikçiler Rainer Weiss, Barry Barish ve Kip Thorne’ı 2017 Fizik Nobel Ödülü’ne layık gördü.

LIGO’yu İnşa Etmek

Prensipte, LIGO nispeten basit bir kavramdır; gravitasyon dalgaları kavramını ve ışık ile lazerler hakkında temel bir anlayışı kavradığımızda kolayca anlaşılabilir.

Bir atomun 1/10.000’lik uzunluk değişimini tespit edebilecek kadar hassas bir sistem inşa etmek başka bir konudur.

İki benzer tesis inşa edildi; biri ABD’nin kuzeybatısında, diğeri Louisiana’da, aralarındaki mesafe yaklaşık 3.000 km (1.860 mil).

Kaynak: Nobel Prize

Çift tesis, doğrulama işlevi görür; büyük mesafe, bir gravitasyon dalgasının iki tesis arasında yedi saniyelik bir “gecikme” yaşamasına ve aynı sinyali üretmesine neden olur.

Dolayısıyla, tek bir tespit her zaman olası bir hata ya da yerel bir bozulma olarak değerlendirilebilirken, aynı şeyin ABD’nin iki yakasında tam olarak öngörülen zaman aralığında gerçekleşmesi neredeyse imkânsızdır.

Çift tesisler aynı zamanda paha biçilmez bir avantaj sunar: sinyali üçgenleme imkanı. Bu, sinyalin nereden geldiğini gökyüzündeki bölgeyi daraltmamıza olanak tanır; daha sonra bu bölge, “normal” astronomlar tarafından sorumlu olabilecek yıldız nesnesini bulmak için tanımlanır.

LIGO’nun Eşi Benzeri Olmayan Ölçüm Hassasiyeti Arayışı

İlk teknik engel, lazer ışığının dalga boyu ve yoğunluğunun mümkün olduğunca kararlı olmasıdır. Aksi takdirde, rastgele dalgalanmalar bir gravitasyon dalgası sinyali olarak yanlış yorumlanabilir.

Daha sonra ışının asılı aynalara tam olarak çarpması gerekir. Bu aynalar hiçbir şekilde hareket etmemelidir.

Neredeyse hiç sallanmamalıdırlar; yakın ağaçlardan yaprak düşse, bir çocuk koşsa ya da uzaktaki bir kamyon geçse bile. Aynı zamanda, bu asılı aynalar gravitasyon dalgalarının geçişiyle sallanabilmelidir.

Yerçekiminden kaynaklanmayan ufak varyasyonlar da telafi edilmelidir, örneğin:

• Aynaların yüzeyindeki atomların termal hareketi
• Lazerdeki kuantum etkileri.
• Sismik titreşimler.
• Herhangi bir hava safsızlığı müdahale eder, bu da tüm deneyin devasa vakum tüplerinde yürütülmesini gerektirir.

Teoride, 4 km’den uzun kollar daha da hassas ölçümler sağlar, ancak pratikte bir interferometrenin ne kadar büyük inşa edilebileceği konusunda bir sınır vardır.

Sonuç olarak, ön çalışmaların yanı sıra, bu projenin küçük bir araştırma ekibinin sağlayabileceğinden çok daha fazla bütçe ve teknik uzmanlık gerektirdiği çabucak ortaya çıktı.

Bu yüzden 1994’te, CalTech’ten bilim insanı Barry Barish, yaklaşık 40 kişilik küçük araştırma grubunu, 1.000’den fazla katılımcı ve başlangıçta 395 milyon dolar finansmanla büyük ölçekli uluslararası bir iş birliğine dönüştürdü.

Bu atılımı gerçekleştirmek için toplam 200 milyon dolar gerekirken, LIGO 10 kat daha güçlü lazerler, 40 kilo ağırlığındaki aynalar, son derece gelişmiş gürültü filtreleme ve dünyanın en büyük vakum sistemlerinden birini aldı.

Sismik Stabilizasyon

Dünya hiçbir zaman tamamen sabit olmadığından, sismik stabilizatörler olmadan LIGO aynaları da sabit kalmaz.

Aynalar üzerine pasif titreşim azaltma sisteminin ilk versiyonu kuruldu: titreşimleri emen ve bir sonraki bölüme aktarılmasını engelleyen karmaşık bir sarkaç sistemi.

Birleştirildiğinde, bu yapı titreşimleri azaltmada o kadar etkilidir ki, süspansiyonun üst kısmında mevcut olan titreşimler, test kütlesine ulaşana kadar 100 milyon kat daha küçük hale gelir.

Kaynak: LIGO

Bu bile yeterli olmadı, bu yüzden aktif bir stabilizasyon sistemiyle de tamamlandı. Her gözlemevinin etrafındaki sismometreler çeşitli yer hareketlerini algılar, ardından bu sinyalleri bir bilgisayara gönderir; bilgisayar bunları birleştirir ve karşı hareketleri belirler.

Kaynak: LIGO

Titreşimsizliğin önemi, interferometrelerin inşa edileceği siteyi seçerken önemli bir kriterdi. Sadece geniş bir boş alana ihtiyaç duymakla kalmayıp, aynı zamanda çok fazla titreşim üreten insan faaliyetlerinden de uzak olmaları gerekiyordu; bu, gravitasyon dalgası tespitleri için ışık kirliliğine eşdeğerdir.

Optik

Her biri 40 kg ağırlığında ve süspansiyonların alt kısmına asılmış olan LIGO optikleri, nanometre kalınlığında katmanlar halinde yerleştirilmiş ultra saf malzemelerden yapılmıştır. Üzerlerine, çarpan her 5 milyon fotondan sadece birini yansıtan bir kaplama uygulanmıştır!

Lazerler

Deneyin çekirdeği olan lazerlerin, girişim desenini tutarlı tutmak için çok kararlı bir dalga boyuna sahip olması gerekir ve yalnızca gravitasyon dalgaları tarafından bozulduğunu görür.

Ticari lazerler bu kadar hassas olmazdı. Bu yüzden LIGO’nun lazeri, türünün en kararlı ve saf lazerlerinden biri olacak şekilde özel olarak tasarlandı.

Vakum

Havadan veya yüzen parçacıklardan kaynaklanan herhangi bir müdahaleyi azaltmak için testler ultra yüksek vakum koşullarında yürütülür.

Aynaların üzerine toz birikmesi riskini de ortadan kaldırır; bu toz lazer tarafından yakılarak 2 milyon dolarlık aynaları yok eder.

LIGO kollarının içindeki atmosferik basınç, deniz seviyesinin bir trilyonda biri kadardır; bu da santimetreküp başına yaklaşık sadece 10 milyon molekül olduğu anlamına gelir.

LIGO Başarıları

2015’te kara delik çarpışmasının ilk keşfinden sonra, gözlemevi evrendeki birçok diğer yüksek enerjili olayı ölçtü:

• 2016’da başka bir kara delik birleşmesi, her biri yaklaşık 30 Güneş kütlesi, 1,3 milyar ışık yılı kadar uzakta, yani gözlemlenebilir evrenin tüm mesafenin neredeyse 1/10’u kadar bir konumda tespit edildi.
• 2017’de üçüncü ve ardından dördüncü bir kara delik birleşmesi.

Bunun ardından, LIGO 2019’a kadar iyileştirme için kapatıldı, pandemi nedeniyle kesintiye uğramadan önce. Bilim insanları bu fırsatı daha fazla iyileştirme yapmak ve İtalya’da Pisa dışında bulunan Avrupa kardeş tesisi VIRGO’yu ağa eklemek için kullandı.

LIGO’nun Geleceği

Önceki iyileştirmeler, LIGO’nun son yıllarda 79’dan az olmayan gravitasyon dalgası tespiti yapmasını sağladı ve diğer astronomların bu olayları kesin olarak tanımlaması ve daha iyi anlaması için nötron yıldızları ve kara deliklerle ilgili kapsamlı bir katalog oluşturdu.

Gelecekteki önemli bir yükseltme, mevcut 40 kg’lık aynanın 100 kg’lık aynalarla değiştirilmesi ve çok daha büyük süspansiyon sistemleriyle birlikte yapılacak.

Ekstra hassasiyet, evrendeki yerçekimi hakkında daha fazla bilgi bulmamıza yardımcı olmalı.

Araştırmanın bir diğer alanı “patlama gravitasyon dalgaları”dır. Bilinmeyen ya da beklenmedik kaynaklardan gelen bu kısa süreli dalgalar yalnızca teoriktir ve tespit edilmesi zordur; bu yüzden LIGO’yu yöneten analistler, neyin geçerli bir sinyal neyin olmadığını konusunda açık fikirli olmalıdır.

“Daha önce hiç bilmediğimiz sistemlerden de gravitasyon dalgaları tespit edebiliriz. Bu tür gravitasyon dalgalarını ararken, LIGO bilim insanlarının daha önce modellediği gibi iyi tanımlanmış özelliklere sahip olacaklarını varsayamıyoruz.

Bu, analizlerimizi yalnızca bilim insanlarının öngördüğü gravitasyon dalgası imzalarını aramaya sınırlayamayacağımız anlamına geliyor.”

Diğer Gravitasyon Dalga Dedektörleri

Bir sonraki nesil interferometreler de tartışılıyor; özellikle 40 km uzunluğunda kollara sahip bir interferometre olan Cosmic Explorer ve 10 km uzunluğunda kollara sahip, derin yer altına gömülü üçgen bir dedektör olan Einstein Telescope.

Gelecekte görülebilecek bir diğer proje, devasa bir uzay tabanlı gravitasyon dalga dedektörüdür: LISA, Lazer İnterferometre Uzay Antenni. Şu anda Avrupa Uzay Ajansı öncülüğündeki bir girişim tarafından tasarlanıp test edilmektedir; bu girişim üç uzay aracını üçgen bir formasyonda çalıştıracak ve her uydu arasındaki mesafe 2,5 milyon kilometredir.

Kaydırmak için kaydır →

Sonuç

LIGO, türünün ilk deneyi olmaktan, gravitasyon dalgalarının varlığını hemen doğrulayan çok etkileyici bir projedir.

LIGO gibi bir proje ilk bakışta tamamen akademik görünebilir. Bu nadiren doğrudur, ancak doğrudan uygulamalar ilk başta hayal edilmesi zor olabilir.

Örneğin, Einstein’ın görelilik teorisi bugün rutin olarak GPS uydularının konumlarını kalibre etmek için kullanılıyor; bu, 1919’da günlük bir ticari ihtiyaç olarak hayal edilmesi zor bir uygulamaydı.

Benzer şekilde, LIGO bilim insanlarını daha da hassas aynalar, stabilizasyon sistemleri ve lazerler icat etmeye itiyor ve dünya çapında mühendislik seviyeleri sağlıyor.

Bu yenilikler, bu cihazları kullanan herhangi bir teknolojiye, özellikle gelişmiş bilişim veya uzay teknolojilerine fayda sağlayacaktır.

İleri Optiklere Yatırım

Corning Incorporated

Teleskoplar, ileri camın hassas üretiminde mümkün olanı zorladıkça, otomotiv, yarı iletken, AI, savunma, biyoteknoloji, sağlık gibi çeşitli sektörlerde birçok endüstriyel olasılık da açılmaktadır. İleri optik pazarı 310 milyar dolar değerinde bir pazar olup, 2032’ye kadar %9,2 CAGR ile büyümesi beklenmektedir.

Corning, 170 yıldır var olan bir cam ve optik şirketidir. Tarih boyunca Thomas Edison’un elektrikli lambası için ilk cam ampuller, ilk düşük kayıplı optik fiber, katalitik konvertörleri mümkün kılan hücresel alt tabakalar ve mobil cihazlar için ilk darbe dayanıklı kapak camını üretti.

Kaynak: Corning

Bugün şirket, cam ve seramik üretiminin temel teknolojileri ile optik fizik teknolojilerine odaklanmakta; bu alanlar ortak üretim süreçleri ve son pazarları paylaşmaktadır.

Kaynak: Corning

Bu teknoloji bağlantısı, şirketin farklı ürün hatları arasında ortak üretim, araştırma ve mühendislik yeteneklerini paylaşmasını sağlar. 52.000’den fazla çalışanı, dünya çapında 77’den fazla üretim tesisi ve 10’dan fazla Ar-Ge merkezi ile şirket, kendi nişinde büyük bir oyuncudur.

Kaynak: Corning

Şirket, AI ve veri merkezi inşası (optik fiber) patlamasından, ayrıca ekranlarda ve biyoteknolojide özel cam tüketiminin genel artışından fayda sağlamaktadır.

Corning, ABD gelirlerinin %90’ı ABD kökenli ürünlerden geldiği için tarifelerden çok etkilenmemelidir. Çin’de yapılan satışların çok azı ABD tesislerinden kaynaklanmakta, Çin satışlarının %80’i Çin içinde gerçekleşmektedir.

Tarifeler hatta yardımcı olabilir; Corning, stratejik olarak Hemlock Solar’ı kontrol ederek ABD yapımı paneller üretmek üzere güneş paneli pazarına giriyor; Asya güneş panelleri (sadece Çinliler değil) dört haneli tarifelere tabi tutuluyor. Kapasitenin %80’i zaten müşterilerin taahhütleriyle güvence altına alınmıştır.

Güneş enerjisi, şirket için çok mantıklı; çünkü silikon, şirketin temel üretim uzmanlığıdır; 60 yıldır polisilikon üretmekte, ultra saf silikon (%99,9999999999 saf) dahil olmak üzere ve şimdi ABD’de %100 ithal edilen silikon wafer üretimini başlatmaktadır.

Kaynak: Corning

Şirket ayrıca cam ve seramikteki uzmanlığının katlanabilir cam, AR, karbon yakalama gibi diğer ileri teknolojilerde sağlam bir avantaj sağlayabileceği alanları da araştırmaktadır.

Kaynak: Corning

Genel olarak, Corning derin teknik bir şirket olup, yerelleştirilmiş üretimi deglobalizasyonun etkisinden korunmalıdır. Ayrıca, çekirdek yetkinlikleriyle eşleşen yeni pazarlara, özellikle güneş ve optik iletişim / AI altyapısına yönelmektedir. Bu, şirketi nispeten temkinli bir şirket yaparken, nişinde daha da derinleşen ve aynı zamanda yüksek teknoloji pazarlarında potansiyel bir büyüme hissesi haline getiriyor.

En Son Corning Inc. (GLW) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeler