LIVINGSTON, La. - Cirka halvanden kilometer fra en så stor bygning, at du kan se den fra rummet, hver bil på vejen bremser op til en gennemsøgning. Chauffører ved at tage hastighedsgrænsen på 10 km / t meget alvorligt: Det skyldes, at bygningen huser en massiv detektor, der jager efter himmelvibrationer i den mindste skala nogensinde. Ikke overraskende er det følsomt over for alle jordiske vibrationer omkring det, fra rumblingen af en forbipasserende bil til naturkatastrofer på den anden side af kloden.
Som et resultat skal forskere, der arbejder på en af LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detektorer, gå i ekstraordinære længder for at jage og fjerne alle potentielle støjkilder - bremse trafikken omkring detektoren, overvåge enhver lille rystelse i jorden, selv ophængt udstyret fra et firedoblet pendelsystem, der minimerer vibrationer - alt sammen i forsøget på at skabe den mest "lydløse" vibrationsplads på Jorden.
”Alt handler om støjjagt,” sagde Janeen Romie, leder af detektor-ingeniørgruppe ved LIGO-detektoren i Louisiana.
Hvorfor er LIGO-fysikere så besatte af at fjerne støj og skabe det mest vibrationsfrie sted på planeten? For at forstå det, skal du vide, hvad tyngdepunktbølger er, og hvordan LIGO registrerer dem i første omgang. I henhold til den generelle relativitet er rum og tid en del af det samme kontinuum, som Einstein kaldte rumtid. Og i rumtid kan hurtigt accelererende massive genstande producere tyngdekraftsbølger, der ligner krusningerne, der stråler udad, når en sten falder ned på overfladen af en dam. Disse bølger afslører strækningen og sammentrækningen af selve kosmosets stof.
Hvordan måler du ændringer i selve rumtiden, når en måleenhed ville opleve de samme ændringer? Den geniale løsning er det, der er kendt som et interferometer. Det er afhængig af det faktum, at gravitationsbølger strækker rumtid i en retning, mens de sammentrækkes langs den vinkelrette retning. Tænk på en bøje på vandet: Når en bølge passerer, bobber den op og ned. I tilfælde af en gravitationsbølge, der stråler over Jorden, svinger alt nogensinde så lidt frem og tilbage, i stedet for op og ned.
LIGOs detektor består af en laserlyskilde, en strålesplitter, flere spejle og en lysdetektor. Lyset forlader laseren, splittes i to vinkelrette stråler af en strålesplitter, og kører derefter lige store afstande ned ad interferometerets arme til to spejle, hvor lyset reflekteres tilbage ned ad armene. Begge bjælker rammer derefter detektoren, som er placeret overfor en af de reflekterende spejle. Når en gravitationsbølge passerer interferometeret, gør den en af armene lidt længere og den anden lidt kortere, fordi den strækker plads langs den ene retning, mens den komprimeres langs en anden. Denne uendelig små ændringsregistrering i lysets mønster, der rammer lyset detektor. LIGO's følsomhedsniveau svarer til "måling af afstanden til den nærmeste stjerne (ca. 4,2 lysår) til en nøjagtighed, der er mindre end bredden af et menneskehår," ifølge LIGO-samarbejdssiden.
For at være i stand til at opdage hårets bredde bølge, forskere gå til ekstreme længder for at eliminere eventuelle forstyrrelser i denne fint afstemt opsætning, sagde Carl Blair, en postdoktorisk forsker ved LIGO, der studerer optomekanik, eller interaktion af lys med mekaniske systemer.
For at starte med er de 2,5 kilometer lange (4 kilometer) våben i et af verdens mest perfekte vakuum, hvilket betyder, at det er næsten molekylefrit, så intet kan forstyrre bjælkens vej. Detektorerne er også omgivet af alle mulige enheder (seismometre, magnetometre, mikrofoner og gamma-ray detektorer, for at nævne nogle få), der måler forstyrrelser i dataene og fjerner dem.
Alt, der kan forstyrre eller med urette fortolkes som et gravitationsbølgesignal, må også jages ned og fjernes, sagde Blair. Det inkluderer ufuldkommenheder i selve detektoren - hvad der er kendt som støj - eller ikke-astrofysiske forstyrrelser, som instrumentet opsamler - hvad der er kendt som fejl. Fysikere skal endda redegøre for vibrationerne i de atomer, der udgør detektorens spejl, og de tilfældige udsving i strømmen i elektronikken. I større skala kan glitches være alt fra et passerende godstog til en tørst ravn.
Og fejl kan være rigtig vanskelige at negle. Da Arnaud Pele tiltrådte detektor-ingeniørteamet hos LIGO, fik han til opgave at finde ud af, hvor en særlig irriterende forstyrrelse kom fra: instrumenterne, der målte bevægelsen af jorden rundt om tyngdekraftsbølgedetektorerne, registrerede en konstant pigge, og ingen vidste hvorfor. Efter adskillige måneders sløvning med hunde, fandt han den skyldige: en beskedent klippe lagt mellem jorden og nogle mekaniske fjedre under et ventilationssystem. På grund af klippen kunne fjedrene ikke forhindre ventilatorens vibrationer i at dukke op i detektoren, hvilket forårsagede mysteriesignalet. ”Det er en virkelig sjov del af mit job, at gøre detektiv,” sagde Pele. "Det meste af tiden er det enkle løsninger." I søgen efter uendeligt små vibrationer fra universets fjernvidde kan det virkelige arbejde være meget nede på Jorden.
Det vigtigste er måske, at der er tre detektorer: Udover den i Louisiana, er der en i Hanford, Washington, og en tredjedel i Italien: "Hvis noget er reelt, skal det se det samme ud i alle detektorer," siger LIGO-samarbejdsmedlem Salvatore Vitale, adjunkt i fysik ved MIT. Hvis det er et godstog eller en klippe indkapslet under et fjeder, vises det kun i en af de tre detektorer.
Med alle disse værktøjer og nogle meget sofistikerede algoritmer er videnskabsmænd i stand til at kvantificere sandsynligheden for, at et signal faktisk er en tyngdekraftsbølge. De kan endda beregne den falske alarmhastighed for en given detektion eller muligheden for, at det nøjagtige signal vises ved et uheld. En af begivenhederne fra tidligere i sommer havde for eksempel en falsk alarmrate på mindre end én gang i 200.000 år, hvilket gjorde det til en ekstremt overbevisende kandidat. Men vi bliver nødt til at vente til den endelige dom er afsluttet.
Rapporteringen for denne artikel blev delvist understøttet af et tilskud fra National Science Foundation.
