Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Experiențe » Experimente faimoase: Experimentul LIGO, pentru undele gravitaținale cosmice

Experimente faimoase: Experimentul LIGO, pentru undele gravitaținale cosmice

Camera de control LIGO, Livingston
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:LLO_Control_Room.jpg 

(Camera de control LIGO, Livingston, așa cum a fost în timpul primei serii de monitorizări din Advanced LIGO (O1). )

Locații: Hanford Site, Washington și Livingston, Louisiana, SUA
Coordonate: Observatorul LIGO Hanford: 46 ° 27′18.52 ″ N 119 ° 24′27.56 ″ W, Observatorul Livingston LIGO: 30 ° 33′46.42 ″ N 90 ° 46′27.27 ″ W
Organizare: Colaborare științifică LIGO
Lungime de undă: 43 km (7,0 kHz) -10.000 km (30 Hz)
Construit: 1994 –2002
Lansare: 23 august 2002
Stil de telescop: observator cu unde gravitaționale
Lungime: 4.000 m
Site-ul web: www.ligo.caltech.edu

Observatorul pentru unde gravitaționale cu interferon laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) este un experiment și observator de fizică la scară largă pentru a detecta undele gravitaționale cosmice și pentru a dezvolta observații cu unde gravitaționale ca instrument astronomic. Două mari observatoare au fost construite în Statele Unite cu scopul de a detecta undele gravitaționale prin interferometrie cu laser. Aceste observatoare folosesc oglinzi distanțate la patru kilometri distanță, care sunt capabile să detecteze o schimbare mai mică de un zecime de miime din diametrul sarcinii unui proton.

Observatoarele inițiale LIGO au fost finanțate de National Science Foundation (NSF) și au fost concepute, construite și sunt operate de Caltech și MIT. Au colectat date din 2002 până în 2010, dar nu au fost detectate unde gravitaționale.

Proiectul Advanced LIGO pentru îmbunătățirea detectoarelor originale LIGO a început în 2008 și continuă să fie susținut de NSF, cu contribuții importante din partea Consiliului Regatului Unit al Științelor și Tehnologiei, al Societății Max Planck din Germania și al Consiliului de Cercetare din Australia. Detectoarele îmbunătățite au început să funcționeze în 2015. Detectarea undelor gravitaționale a fost raportată în 2016 de Echipa Științifică LIGO (LSC) și Echipa Virgo cu participarea internațională a oamenilor de știință din mai multe universități și instituții de cercetare. Oamenii de știință implicați în proiect și analiza datelor pentru astronomie cu unde gravitaționale sunt organizate de LSC, care include peste 1000 de oameni de știință din întreaga lume, precum și 440.000 de utilizatori activi ai Einstein@Home începând din decembrie 2016.

LIGO este cel mai mare și mai ambițios proiect finanțat vreodată de NSF. În 2017, Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat lui Rainer Weiss, Kip Thorne și Barry C. Barish „pentru contribuții decisive la detectorul LIGO și observarea undelor gravitaționale”.

Observațiile se fac în „serii”. Începând cu decembrie 2019, LIGO a efectuat 3 serii și a efectuat 50 de detectări ale undelor gravitaționale. Întreținerea și actualizarea detectoarelor se fac între serii. Prima serie, O1, care a avut loc în perioada 12 septembrie 2015 – 19 ianuarie 2016, a făcut primele 3 detecții, toate fuziuni ale găurilor negre. A doua serie, O2, care a avut loc în perioada 30 noiembrie 2016 – 25 august 2017, a făcut 8 detecții, 7 fuziuni de găuri negre și prima fuziune cu stele neutronice. A treia serie, O3, a început la 1 aprilie 2019; este împărțit (până acum) în O3a, de la 1 aprilie până la 30 septembrie 2019 și O3b, de la 1 noiembrie 2019 până când a fost suspendată în martie 2020 din cauza COVID-19.

Misiune

Curbele de zgomot ale detectorului pentru LIGO
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:LIGO_detector_sensitivity_curve.png 

(Curbele de zgomot ale detectorului pentru LIGO inițial și avansat în funcție de frecvență. Se află deasupra benzilor pentru detectoarele spațiale, precum antena spațială cu interferon laser (eLISA) și matricele de sincronizare pulsare, precum matricea europeană de sincronizare a pulsului (EPTA). De asemenea, sunt prezentate tensiunile caracteristice ale potențialelor surse astrofizice. Pentru a fi detectabile, tensiunea caracteristică a unui semnal trebuie să fie deasupra curbei de zgomot. Aceste frecvențe pe care aLIGO le poate detecta sunt în domeniul auzului uman. )

Misiunea LIGO este de a observa direct undele gravitaționale de origine cosmică. Aceste unde au fost prezise pentru prima dată de teoria generală a relativității a lui Einstein în 1916, când tehnologia necesară pentru detectarea lor nu exista încă. Existența lor a fost confirmată indirect atunci când observațiile pulsarului binar PSR 1913+16 din 1974 au arătat o degradare orbitală care s-a potrivit cu previziunile Einstein privind pierderea de energie prin radiații gravitaționale. Premiul Nobel pentru fizică 1993 a fost acordat lui Hulse și Taylor pentru această descoperire.

Detectarea directă a undelor gravitaționale a fost mult timp căutată. Descoperirea lor a lansat o nouă ramură a astronomiei pentru a completa telescoapele electromagnetice și observatoarele de neutrini. Joseph Weber a fost pionierul efortului de a detecta undele gravitaționale în anii 1960 prin munca sa pe detectoare cu bare de masă rezonante. Detectoarele de bare continuă să fie utilizate în șase locații din întreaga lume. În anii 1970, oamenii de știință, inclusiv Rainer Weiss, au realizat aplicabilitatea interferometriei laser la măsurătorile undelor gravitaționale. Robert Forward a operat un detector interferometric la Hughes la începutul anilor 1970.

În fapt, încă din anii 1960 și poate chiar înainte, au fost publicate lucrări despre rezonanța undelor luminii și a undelor gravitaționale. Lucrările au fost publicate în 1971 privind metodele de exploatare a acestei rezonanțe pentru detectarea undelor gravitaționale de înaltă frecvență. În 1962, M. E. Gertsenshtein și V. I. Pustovoit au publicat prima lucrare care descrie principiile utilizării interferometrelor pentru detectarea undelor gravitaționale cu lungime de undă foarte mare. Autorii au argumentat că, prin utilizarea interferometrelor, sensibilitatea poate fi de 107-1010 ori mai bună decât prin utilizarea experimentelor electromecanice. Mai târziu, în 1965, Braginsky a discutat pe larg sursele de unde gravitaționale și posibila lor detectare. El a subliniat lucrarea din 1962 și a menționat posibilitatea detectării undelor gravitaționale dacă tehnologia interferometrică și tehnicile de măsurare s-au îmbunătățit.

De la începutul anilor 1990, fizicienii au crezut că tehnologia a evoluat până la punctul în care detectarea undelor gravitaționale – de interes astrofizic semnificativ – este acum posibilă.

În august 2002, LIGO și-a început căutarea undelor gravitaționale cosmice. Emisiile măsurabile de unde gravitaționale sunt de așteptat de la sistemele binare (coliziuni și coalescențe ale stelelor de neutroni sau găuri negre), explozii de supernova ale stelelor masive (care formează stele de neutroni și găuri negre), stele de neutroni care se acumulează, rotații ale stelelor de neutroni cu cruste deformate și rămășițele radiațiilor gravitaționale create de nașterea universului. Observatorul poate, în teorie, să observe și fenomene ipotetice mai exotice, cum ar fi undele gravitaționale provocate de corzi cosmice oscilante.

Operațiune

Funcționarea simplificată a unui observator de unde gravitaționale
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Gravitational_wave_observatory_principle.svg

(Funcționarea simplificată a unui observator de unde gravitaționale

Figura 1: Un divizor de fascicule (linia verde) împarte lumina coerentă (din cutia albă) în două fascicule care reflectă oglinzile (alungite cian); este prezentat un singur fascicul ieșit și reflectat în fiecare braț și separat pentru claritate. Fasciculele reflectate se recombină și se detectează un model de interferență (cerc violet).

Figura 2: O undă gravitațională care trece peste brațul stâng (galben) își schimbă lungimea și astfel modelul de interferență. )

Parametrii de mi josse referă la experimentul Advanced LIGO. Interferometrul primar constă din două linii de fascicul de 4 km lungime care formează un interferometru Michelson reciclat electric cu brațe etalon Gires – Tournois. Un laser Nd: YAG pre-stabilizat de 1064 nm emite un fascicul cu o putere de 20 W care trece printr-o oglindă de reciclare a puterii. Oglinda transmite pe deplin lumina incidentă de la laser și reflectă lumina de cealaltă parte mărind puterea câmpului de lumină dintre oglindă și separatorul de fascicul subsecvent la 700 W. De la divizorul de fascicul lumina se deplasează de-a lungul a două brațe ortogonale. Prin utilizarea de oglinzi care reflectă parțial, cavitățile Fabry – Pérot sunt create în ambele brațe care măresc lungimea efectivă a traiectoriei luminii laser din braț. Puterea câmpului luminos din cavitate este de 100 kW.

Când o undă gravitațională trece prin interferometru, spațiul-timp din zona locală este modificat. În funcție de sursa undei și de polarizarea acesteia, aceasta are ca rezultat o schimbare efectivă a lungimii uneia sau ambelor cavități. Schimbarea efectivă a lungimii dintre fluxuri va face ca lumina aflată în prezent în cavitate să devină foarte ușor defazată (antifazică) cu lumina de intrare. Prin urmare, cavitatea va ieși periodic foarte ușor din coerență, iar fluxurile, care sunt reglate pentru a interfera distructiv la detector, vor avea o ușoară reglare care variază periodic. Acest lucru are ca rezultat un semnal măsurabil.

După un echivalent de aproximativ 280 de călătorii pe lungimea de 4 km către oglinzile îndepărtate și înapoi, cele două fluxuri separate părăsesc brațele și se recombină la separatorul de fluxuri. Fasciculele care se întorc de la două brațe sunt ținute defazate, astfel încât atunci când brațele sunt atât în ​​coerență, cât și în interferență (ca atunci când nu există undă gravitațională care trece prin ele), undele lor de lumină se scad și nicio lumină nu ar trebui să ajungă la fotodiodă. Când o undă gravitațională trece prin interferometru, distanțele de-a lungul brațelor interferometrului sunt scurtate și prelungite, determinând fasciculele să devină mai puțin defazate. Rezultatul este că fazele intră în fază, creând o rezonanță, prin urmare, o anumită lumină ajunge la fotodiodă, indicând un semnal. Lumina care nu conține un semnal este returnată interferometrului folosind o oglindă de reciclare a puterii, crescând astfel puterea luminii din brațe. În funcționarea efectivă, sursele de zgomot pot provoca mișcări în optică, ceea ce produce efecte similare semnalelor reale ale undei gravitaționale; o mare parte din artă și complexitate în instrument constă în găsirea unor modalități de a reduce aceste mișcări false ale oglinzilor. Observatorii compară semnalele de pe ambele situri pentru a reduce efectele zgomotului.

Observații

Pe baza modelelor actuale de evenimente astronomice și a predicțiilor teoriei generale a relativității, undele gravitaționale care își au originea la zeci de milioane de ani lumină de la Pământ sunt de așteptat să distorsioneze distanța oglinzii de 4 kilometri cu aproximativ 10-18 m , mai puțin de o miime din diametrul de sarcină a unui proton. În mod echivalent, aceasta este o schimbare relativă a distanței de aproximativ o parte în 1021. Un eveniment tipic care ar putea provoca un eveniment de detectare ar fi o etapei târzie și fuziunea a două găuri negre cu 10 mase solare, nu neapărat situate în Calea Lactee, care se așteaptă să aibă ca rezultat o secvență foarte specifică de semnale.

În timpul celei de-a cincea serii științifice LIGO, în noiembrie 2005, sensibilitatea a atins specificația primară de proiectare a unei tensiuni detectabile dintr-o parte în 1021 pe o lățime de bandă de 100 Hz. Coliziunea de bază a două stele neutronice cu masă solară aproximativă se așteaptă de obicei să fie observabilă dacă apare la aproximativ 8 milioane de parseci (26 × 106 a.l.), sau în vecinătatea grupului local, în medie pe toate direcțiile și polarizările. Tot în acest moment, LIGO și GEO 600 (detectorul interferometric germano-britanic) au început o monitorizare științifică comună, în timpul căreia au colectat date timp de câteva luni. Virgo (detectorul interferometric franco-italian) s-a alăturat în mai 2007. Cea de-a cincea analiză științifică s-a încheiat în 2007, după o analiză extinsă a datelor din această analiză nu s-a descoperit niciun eveniment de detectare neechivoc.

În februarie 2007, GRB 070201, o scurtă explozie de raze gamma a ajuns pe Pământ din direcția galaxiei Andromeda. Explicația predominantă a celor mai scurte explozii de raze gamma este fuziunea unei stele de neutroni cu o stea de neutroni sau cu o gaură neagră. LIGO a raportat o nedetectare pentru GRB 070201, excludând o fuziune la distanță în Andromeda cu mare încredere. O astfel de restrângere a fost bazată pe LIGO, demonstrând în cele din urmă o detectare directă a undelor gravitaționale.

Fizica atomică și nucleară fenomenologică
Fizica atomică și nucleară fenomenologică

Cartea abordează bazele fenomenlogice din fizica atomică, fizica nucleară, radioactivitatea, fizica particulelor, fisiunea, fuziunea și energia nucleară. Conținutul oferă o perspectivă modernă a domeniului, simultan cu o retrospectivă istorică a dezvoltării sale. Fiecare capitol pune accent pe explicațiile fizice ale … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 Selectează opțiunile
Știința - Filosofia științei
Știința – Filosofia științei

Cartea explorează principalele teme și teorii ale științei și filozofiei contemporane a științei, evidențiind întrebările fascinante și provocatoare actuale din știință în generală și filosofia științei, cu accent pe metodele științifice. O mare parte din înțelegerea noastră provine din cercetarea … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99$10,99 Selectează opțiunile
Teoria relativității - Relativitatea specială și relativitatea generală
Teoria relativității – Relativitatea specială și relativitatea generală

de Albert Einstein Traducere de Nicolae Sfetcu ”Prezenta carte este destinată, pe cât posibil, să ofere o perspectivă exactă asupra teoriei relativității acelor cititori care, din punct de vedere științific și filosofic general, sunt interesați de teorie, dar care nu … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $2,99$3,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *