LIVINGSTON, La. - На около километър и половина от толкова голяма сграда, че можете да я видите от космоса, всяка кола на пътя се забавя и пълзи. Шофьорите знаят да приемат ограничението на скоростта от 10 км / ч много сериозно: Това е така, защото в сградата се намира масивен детектор, който ловува небесни вибрации при най-малкия мащаб, опитван някога. Не е изненадващо, че е чувствителен към всички земни вибрации около него, от бученето на преминаваща кола до природни бедствия от другата страна на земното кълбо.
В резултат на това учените, които работят в един от детекторите на гравитационно-вълновата обсерватория LIGO (Laser Interferometer), трябва да преминат в извънредна дължина, за да открият и отстранят всички потенциални източници на шум - забавяне на трафика около детектора, наблюдение на всеки мъничък тремор в земя, дори спирайки оборудването от система за четворно махало, която свежда до минимум вибрациите - всичко това в усилията да се създаде най-„безшумното“ вибрационно място на Земята.
„Всичко се отнася до лов на шум“, заяви Джейнън Роми, детектор-инженерна група, водеща в детектора LIGO в Луизиана.
Защо физиците LIGO са толкова обсебени от елиминирането на шума и създаването на най-безвибрационното място на планетата? За да разберете това, трябва да знаете какво представляват гравитационните вълни и как LIGO ги открива на първо място. Според общата относителност пространството и времето са част от един и същ континуум, който Айнщайн нарече пространство-време. И в пространството-времето, бързо ускоряващите се масивни предмети могат да произвеждат гравитационни вълни, които приличат на вълничките, които се излъчват навън, когато камък се спусне върху повърхността на езерце. Тези вълни разкриват разтягането и свиването на тъканта на самия Космос.
Как измервате промените в самото пространство-време, когато всяко измервателно устройство би изпитало същите тези промени? Гениалното решение е това, което е известно като интерферометър. Тя разчита на факта, че гравитационните вълни се простират пространство-време по една посока, докато го свиват по перпендикулярната посока. Помислете за шамандура на водата: Когато преминава вълна, тя се издига нагоре и надолу. В случай на гравитационна вълна, излъчваща Земята, всичко се колебае толкова леко напред-назад, вместо нагоре и надолу.
Детекторът на LIGO е съставен от лазерен източник на светлина, разделител на лъча, няколко огледала и детектор за светлина. Светлината напуска лазера, разделя се на две перпендикулярни лъчи чрез лъчева сплитер, след което изминава равни разстояния надолу по ръцете на интерферометъра до две огледала, където светлината се отразява обратно надолу по ръцете. След това и двата лъча се удрят в детектора, който е поставен срещу едно от отразяващите огледала. Когато гравитационна вълна преминава през интерферометъра, тя прави едната рамена малко по-дълга, а другата малко по-къса, защото разтяга пространството по една посока, докато я компресира по протежение на друга. Това безкрайно малки промени регистрират в модела на светлина, удряща светлината детектор. Нивото на чувствителност на LIGO е еквивалентно на "измерване на разстоянието до най-близката звезда (около 4,2 светлинни години) до точност, по-малка от ширината на човешката коса", според уебсайта за сътрудничество LIGO.
За да могат да открият вълната на ширината на косата, учените стигат до крайни дължини, за да елиминират всякакви потенциални смущения в тази фино настроена настройка, каза Карл Блеър, докторантичен изследовател в LIGO, който изучава оптомеханиката или взаимодействието на светлината с механичните системи.
За начало, ръцете с дължина 2,5 мили (4 километра) са в една от най-съвършените вакууми в света, което означава, че е почти без молекули, така че нищо не може да попречи на пътя на лъча. Детекторите също са заобиколени от всевъзможни устройства (сеизмометри, магнитометри, микрофони и гама-детектори, за да назовем няколко), които измерват смущения в данните и ги премахват.
Всичко, което би могло да пречи или да бъде интерпретирано погрешно като сигнал за гравитационна вълна, също трябва да бъде преследвано и елиминирано, каза Блеър. Това включва несъвършенства в самия детектор - това, което е известно като шум - или неастрофизични смущения, които се хващат от инструмента - това, което е известно като бъгове. Физиците дори трябва да отчитат вибрациите на атомите, които изграждат огледалото на детектора, и случайните колебания на тока в електрониката. В по-голям мащаб проблемите могат да бъдат всичко - от преминаващ товарен влак до жаден гарван.
И проблемите могат да бъдат наистина трудни да се забият. Когато Арно Пеле се присъедини към детекторно-инженерния екип в LIGO, той имаше задачата да разбере откъде идва особено досадно смущение: инструментите, които измерваха движението на земята около гравитационните детектори на вълната, регистрираха постоянен шип и никой знаех защо. След няколкомесечно кучешко забиване той намери виновника: непоклатима скала, настанена между земята и някои механични извори под вентилационна система. Поради скалата пружините не можаха да попречат на вибрацията на вентилатора да се покаже в детектора, което предизвика загадъчния сигнал. „Това е наистина забавна част от работата ми, като правя тези детективни неща“, каза Пеле. "През повечето време това са прости решения." В търсене на безкрайно малки вибрации от далечните достижения на Вселената, истинската работа може да бъде много до Земята.
Най-важното, може би, има три детектора: Освен този в Луизиана, има и един в Ханфорд, Вашингтон, и трети в Италия: „Ако нещо е истинско, трябва да изглежда еднакво във всички детектори“, заяви членът на LIGO за сътрудничество Салваторе Витале, доцент по физика в MIT. Ако става дума за товарен влак или скала, подадена под пружина, тогава той ще се покаже само в един от трите детектора.
С всички тези инструменти и някои много сложни алгоритми учените са в състояние да преценят вероятността сигналът да е наистина гравитационна вълна. Те дори могат да изчислят фалшивата честота на алармата за дадено откриване или възможността точният сигнал да се появи случайно. Например, едно от събитията от по-рано това лято имаше честота на фалшива тревога по-малко от веднъж на 200 000 години, което го направи изключително убедителен кандидат. Но ще трябва да изчакаме, докато окончателната присъда излезе.
Отчитането за тази статия беше частично подкрепено с субсидия от Националната фондация за наука.
