Klausytis dangaus: Gravitacinių bangų atradimas įrodė, kad Einšteinas teisus

bendradarbiaujant su VARDAS

Šis įvykis buvo reikšmingas, o pareiškimas, skelbiantis apie tai pasauliui, nuskambėjo deramai susijaudinusiu tonu, tuo pačiu ir nuoširdžiai: ponios ir ponai, mes... aptikome... gravitacines bangas! Mes tai padarėme!

Tais žodžiais Davidas Reitze, Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) vykdomasis direktorius, 2016 m. vasario 11 d. Vašingtono Nacionalinio spaudos klubo kambaryje, kuriame buvo daug žurnalistų, atskleidė atradimą. (Tikrasis aptikimas įvyko 2015 m. rugsėjo 14 d.)

Šis atradimas suteikė pirmuosius įrodymus, patvirtinančius Alberto Einšteino tikėjimą gravitacinių bangų egzistavimu, kuris buvo jo bendrosios reliatyvumo teorijos dalis. Nauja mokslinių tyrimų sritis, vadinama gravitacinių bangų astronomija, paskatino šį reikšmingą LIGO pasiekimą, naudojant lazerinį įrenginį, vadinamą interferometru, kuris apima didelio tikslumo jutiklius, operacinius stiprintuvus ir kitus produktus iš Analog Devices, Inc. (ADI).

Gravitacinės bangos šaltinis buvo dviejų juodųjų skylių, esančių 1,3 milijardo šviesmečių atstumu nuo Žemės, susidūrimas, dėl kurio gravitacinių bangų galia buvo 10 kartų didesnė už bendrą visų visatos žvaigždžių spinduliuojamą energiją.

Jie rado Einšteino [gravitacines] bangas po 100 metų, ir tai įvyko čia pat, o štai mašina, kuri tai padarė, stebisi Davidas Kressas, ADI techninės rinkodaros direktorius ir MIT alumnas. Nėra nieko geriau – ir aš žinau, kad mūsų dalys yra jame.

Klausytis Visatos

LIGO sudaro dvi observatorijos ir įrenginiai – viena Hanforde, Vašingtone, o kita Livingstone, Luizianoje – abu pradėjo veikti 2002 m. Nacionalinis mokslo fondas (NSF) finansavo tą didelio masto fizikos projektą, o šie įrenginiai tada buvo sukurti. sukūrė, pastatė ir valdo Caltech ir MIT. Dvi observatorijos, kurios iki šiol yra vienos didžiausių ir ambicingiausių NSF finansuojamų projektų, buvo skirtos stebėti astrofizines gravitacines bangas, kurių iš tikrųjų negalima pamatyti. Vienintelis būdas aptikti gravitacinių bangų egzistavimą yra klausytis dangaus.

Kiekviena LIGO įranga patalpina lazerį į itin aukštą vakuumą, padalija lazerį į dvi dalis ir kiekvieną spindulį siunčia žemyn viena iš dviejų 2,5 mylių atšakų, išdėstytų statmenai viena kitai. Tada lazerio spinduliai atsispindi atgal nuo veidrodžių, esančių rankų galuose.

Interferometrai yra tyrimo įrankiai, kurie paprastai naudojami moksle ir inžinerijoje. Jie veikia sujungdami du ar daugiau šviesos šaltinių, kad sukurtų trukdžių modelį, kurį galima išmatuoti ir analizuoti. LIGO interferometrai skirti aptikti per mažus matavimus, kad juos būtų galima gauti kitais metodais.

Kai gravitacinė banga praeina, ji keičia laiką aplinkinėje srityje, sukeldama nedidelį rankų judėjimą vienas kito atžvilgiu, maždaug 1/1000 protono pločio. Tai pakeičia santykines grąžintos šviesos fazes, kai įrenginiai gauna duomenis, išleidžiant šviesą į optinį jutiklį, o tai sukelia išmatuojamą signalą arba čirškimą.

Kai galvojate apie tradicinę observatoriją, mintyse susidaro vaizdas, kaip kažkas žiūri pro vaizdo ieškiklį ir žiūri į kosmosą per teleskopą, skirtą šviesai priimti, sako Richas Abbottas, pagrindinis LIGO analoginių grandinių dizaineris. Tai, ką LIGO daro ir daro jį unikalų, yra tai, kad jis matuoja gravitacines bangas, kurios nepasirodo kaip šviesa. Siekdamas apibūdinti išskirtinį LIGO interferometro jautrumą, jis lygina jį su svėrimo svarstyklėmis: jei galėtumėte nuimti visą smėlį iš visų mūsų Žemės paplūdimių ir sukrauti ant svarstyklių, LIGO detektorius yra pakankamai jautrus, kad galėtumėte aptikti pašalinimą. mažiau nei smėlio grūdelis.

Didelis našumas: LIGO ir ADI technologija

LIGO naudoja daugybę ADI integruotų grandynų technologijų. LIGO interferometrai veikia numatydami ir kompensuodami visus galimus aplinkos triukšmo ir vibracijos šaltinius. Tai reiškia, kad interferometro naudojama lazerio išvestis turi išlikti itin stabili, o dažnis ir amplitudė turi skirtis labai mažais.

Dėl šios priežasties LIGO komandai reikėjo grįžtamojo ryšio sistemos, kad būtų galima tinkamai išmatuoti šviesos srautą valdant amplitudę. Tam reikėjo itin mažo triukšmo stiprintuvo, pasižyminčio dideliu našumu. LIGO komanda pasirinko ADI AD797 operacinį stiprintuvą (arba operatyvinį stiprintuvą) dėl jo labai mažo triukšmo ir mažo iškraipymo galimybių. AD797 operacinės sistemos stiprintuvas taip pat naudojamas infraraudonųjų spindulių ir sonaro vaizdavimo programose, be kitų tikslų. LIGO technologijoje taip pat naudojami kiti ADI produktai:

• ADI AD590 didelio tikslumo temperatūros jutiklis stabilizuoja lazerio dažnį ir matuoja vidutinę stiklo vakuuminės kameros, kurioje yra lazeris, temperatūrą.
• Lazerio išvestis gali greitai padidėti iki kilovatų rezonansinėse rankų ertmėse ir iškraipyti matavimus. LIGO naudoja ADA4700 aukštos įtampos operacinį stiprintuvą, kad valdytų elektrostatines pavaras, kad veidrodžiai būtų suderinti.
• Solenoidai varo LIGO veidrodžio pakabos sistemą. Šioje sistemoje AD736 RMS lustas matuoja elektros tiekimą į solenoidus, leidžiančius atlikti bet kokį reikiamą ir tikslų pakreipimą, nuolydį ir posūkį.

Lazerio amplitudės stabilizavimas yra vienas iš pagrindinių sėkmingo gravitacinių bangų atpažinimo elementų, nes svyravimai gali atrodyti kaip signalai, pažymi Abbott. Štai kodėl mums reikėjo tokio kryptingo, ne sodo įvairovės sprendimo.

Įrodykite, kad Einšteinas teisus per pasirodymą

Pirmasis tikrosios gravitacinės bangos signalo vaizdas iš pradžių buvo aptiktas LIGO Livingston; tada vos po 7 milisekundžių jis atvyko į Hanfordo vietą. Atradimas įvyko per pirmąją savaitę naudojant naujus pažangius LIGO lazerinius detektorius, kurie apėmė ADI integrinių grandynų technologijas. LIGO komanda buvo sužavėta, kad taip greitai po naujojo įrenginio įdiegimo aptiko gravitacines bangas ir kad signalas buvo toks garsus, kad buvo neabejotinas.

Atsilikimas tarp gravitacinių bangų signalo atradimo ir jo viešo atskleidimo atspindėjo komandos poreikį ištirti ir patvirtinti, kad tai iš tikrųjų yra tikra. Kelias savaites LIGO mokslininkai atliko eksperimentus abiejose observatorijose, siekdami atmesti galimybę, kad signalus sukėlė instrumentinė anomalija arba programinės įrangos triktis. Galiausiai mokslininkai baigė vadinamąją koreliacijos ir sujungimo analizę, kuri padarė išvadą, kad signalas galėjo kilti tik gilioje erdvėje. Nuo tada iki viešo paskelbimo visi LIGO darbuotojai buvo prisiekę laikytis paslapties.

Vėliau, 2015 m. Kalėdų dieną, buvo aptikta antroji gravitacinė banga. Vėlgi, mokslininkai nuodugniai ištyrė ir, patvirtinę signalo kosminę kilmę, paskelbė apie jo aptikimą 2016 m. birželio 15 d.

Kai Einšteinas pasiūlė gravitacinių bangų ir juodųjų skylių egzistavimą, jis manė, kad iš tikrųjų jų nustatyti bus neįmanoma. Tai, kad ADI jutikliai ir kiti prietaisai prisidėjo prie interferometrų tikslumo, kuris galiausiai padarė šį žygdarbį, išlieka didžiulį pasididžiavimą tiems, kurie dalyvauja kuriant technologiją.

„Analog Devices“ jau daugiau nei 40 metų palaiko tikslias Žemės stebėjimo, kosminio ryšio padėties nustatymo, nešančiųjų raketų ir kosmoso tyrimų programas, sako Bobas Barfieldas, ADI aviacijos ir gynybos direktorius. Kai pagalvoji apie tai, kas yra erdvėje ir kas yra už to, ką mes dabar žinome, kyla protu nesuvokiamas dalykas. Kai kurie dalykai, kurie atrandami – tiesiog įdomu pagalvoti, kad esame ant to ribos.

Norėdami sužinoti daugiau ir peržiūrėti vaizdo įrašą apie LIGO projektą, apsilankykite www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

paslėpti