COLUMBUS, Охайо - Гравитационен детектор на вълни, дълъг 2,5 мили, не е готино. Знаеш ли какво е готино? Гравитационен детектор за вълна с дължина 25 мили.
Това е резултатът от поредица от разговори, дадени тук в събота (14 април) на априлската среща на Американското физическо общество. Следващото поколение гравитационни детектори на вълни ще надникнат точно до външния ръб на наблюдаваната вселена, търсейки пулсации в самата тъкан на пространство-време, което Айнщайн прогнозира, че ще възникне при сблъскване на масивни предмети като черни дупки. Но все още има някои значителни предизвикателства пред начина на тяхното изграждане, казаха присъстващите пред публиката.
"Настоящите детектори, които може би смятате за много чувствителни", казва Матю Евънс, физик в MIT, пред публиката. "И това е вярно, но те са и най-малко чувствителните детектори, с които можете да откриете гравитационни вълни."
Настоящите детектори, разбира се, няма какво да кихнат. Когато 2,5-милиметровата (4 километра) лазерна интерферометрова обсерватория за гравитационни вълни (LIGO) за пръв път засича пространството и времето да расте и да се свива през 2015 г. - гравитационното ехо на сблъсък на 1.3 милиарда години между две черни дупки - тя доказа съществуването на огромните невидими гравитационни вълни, които някога бяха изцяло теоретични и доведоха само за две години до Нобелова награда за създателите на LIGO.
Но LIGO и неговият братовчед, италианският инструмент Дева с дължина 1,9 мили, са фундаментално ограничени, казаха ораторите. И двата детектора са наистина способни да забележат гравитационни вълни от обекти, които са относително близо до Земята в мащаба на цялата вселена, заяви физикът на MIT Salvatore Vitale. Те също са ограничени във видовете обекти, които могат да открият.
Досега наистина има само два основни резултата от настоящото поколение интерферометри: откриването през 2015 г. на сливане в черна дупка и засичането на две неутронни звезди от август 2017 г. (също гореща тема на конференцията). Установени са още няколко сблъсъка с черни дупки, но те не предлагат много по пътя на зашеметяващи резултати в началото на първото откриване.
Създайте мащабирани, по-прецизни LIGO и Деви, или различен вид широкомащабен детектор, наречен "Айнщайн телескоп", каза Евънс и скоростта на откриване на вълни може да скочи от един на всеки няколко месеца до повече от 1 милион всяка година ,
"Когато казвам, че тези детектори ни извеждат на ръба на Вселената, искам да кажа, че те могат да открият почти всяка двоична система, която се слива", каза той, имайки предвид двойки звезди, черни дупки и неутронни звезди, които се сблъскват.
Това означава възможността за откриване на черни дупки от най-ранните години на Вселената, изследване на дълбоки мистерии на гравитацията и дори потенциално откриване за първи път гравитационните вълни на звезда, слизаща в свръхнова и сриваща се в неутронна звезда или черна дупка ,
По-големият е по-добър
Така че защо по-големите детектори водят до по-чувствително търсене на гравитационни вълни? За да разберете това, трябва да разберете как работят тези детектори.
LIGO и Дева са, както Live Science вече съобщава, основно гигантски L-образни владетели. Два тунела се разклоняват под прав ъгъл един от друг, използвайки лазери за извършване на изключително фини измервания на дължината на тунела. Когато гравитационна вълна преминава през детектора, размахвайки самото пространство, тази дължина променя малко. Това, което някога беше една миля, става за кратко, малко по-малко от една миля. А лазерът, изминавайки малко по-бързото разстояние, показва, че промяната е станала.
Но има ограничение до това колко точно може да бъде това измерване. Повечето вълни пулсират лазера твърде леко, за да могат да го забележат интерферометрите. Подобряването на технологията за откриване в съществуващите тунели на ЛИГО и Дева може донякъде да подобри нещата, каза Еванс, и има планове за това. Но за да усилите сигнала наистина, каза той, единственият вариант е да отидете много по-големи.
Следваща стъпка е L-образен детектор с 40,8 км дължина на ръцете, 10 пъти по-голям от LIGO, каза Еванс. Той нарече предложението „космически изследовател“. Той би бил достатъчно голям, за да открие почти всичко, което детектор на гравитационната вълна би могъл да открие, каза той, но не е толкова голям, че основната физика започва да се разпада или разходите стават невъзможно високи, дори и за този вид скъпоценно око, скъпа наука проект. (Крайната цена на LIGO достигна стотиците милиони долари.)
Така че защо детектор с такъв размер, а не два пъти или 10 пъти по-голям?
В определен момент, дълъг около 40 км (40 км), каза Евънс, светлината отнема толкова време, за да се придвижи от единия край на тунела до другия, че експериментът може да стане размит, което прави резултатите по-малко прецизни, отколкото повече.
Поне като предизвикателни са разходите. ЛИГО и Дева са достатъчно малки, че кривината на Земята не е било значително строително предизвикателство, каза Еванс. Но при 24,86 мили (40 км) на рамо, поставянето на краищата на всеки тунел на нивото на земята означава, че центровете на тунелите трябва да бъдат на 98,43 фута (30 метра) под земята (ако предположим, че земята е идеално равна).
"Над 40 километра", каза Евънс, "разстоянието от мръсотия ще започне да поеме разходите".
Има и основният проблем с намирането на плоско празно пространство, достатъчно голямо, за да се изгради такъв голям детектор. Еванс каза, че в Европа никъде не е достатъчно голям, а в САЩ възможностите са ограничени до района на Голямото солено езеро в Юта и пустинята Черна скала в Невада.
Тези космически предизвикателства задвижват алтернативната масивна гравитационна детекторна вълнова конструкция, наречена телескоп Айнщайн. Въпреки че формата на L е най-добрият начин за измерване на гравитационна вълна, каза Евънс, триъгълник с три тунела и множество детектори може да свърши почти толкова добра работа, докато заема много по-малко пространство, идеално за географските ограничения на Европа.
Тези детектори са все още от 15 до 20 години от завършването им, каза Vitale, а цялата технология, необходима за изграждането им, все още не е изобретена. Все пак той и Евънс казаха на събралите се учени, че "сега е моментът" да започнат да работят върху тях. Вече, каза Витале, има осем работни групи, които подготвят доклад за научната обосновка на такива масивни устройства, който трябва да излезе през декември 2018 г.
Един от публиката попита Евънс дали има смисъл да се изгради, да кажем, детектор с дължина 5 мили (8 км), докато истинският космически изследовател или пълномощният Айнщайн телескоп остава на повече от десетилетие.
Ако беше в комисия за финансиране, той нямаше да одобри подобен проект, тъй като научните възвращания от удвояването на размера на LIGO просто не са толкова големи, каза Евънс. Само при горните граници на размера на тунелите разходите за такъв проект биха били оправдани, добави той.
"Освен ако не знаех, че по някаква причина, просто не си струва", каза той.
Все пак, каза Витале, това не означава, че учените трябва да чакат 15 до 20 години за следващата основна фаза на резултатите от гравитационните вълни. Тъй като повече детектори в настоящия мащаб идват онлайн, включително детектора за гравитационна вълна с размер Кариока (KAGRA) в Япония и LIGO с размер LIGO-Индия, и тъй като съществуващите детектори се подобряват, изследователите ще имат възможност да измерват отделните гравитационни вълни от повече ъгли наведнъж, което позволява повече открития и по-подробни заключения откъде идват.
