Детекција на гравитационите бранови (Трет дел)

СПОДЕЛИ
Поеноставен приказ на функцијата на LIGO

Во продолжение на вториот дел од приказната за гравитационите бранови.

Гравитационите бранови можат да бидат детектирани со помош на направа позната како LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Две идентични LIGO машини се изградени во САД во Ливингстон и Ханфорд. На овој начин би се избегнале лажни детекции: доколку гравитационен бран е навистина детектиран, тогаш двете машини на двете различни локации би морале да го детектираат.

LIGO во Ливингстон и Ханфорд
Фигура 5: LIGO во Ливингстон и Ханфорд
Извор: https://www.ligo.caltech.edu/ слика 4

Оваа машина се состои од ласерски зрак којшто е разделен во две взаемно нормални насоки (затоа машината има форма на буквата L). По извесно време, двата зрака удираат во огледала, при што се одбиени назад кон точката каде биле разделени (beam splitter)  и таму се соединуваат повторно во еден зрак. Оваа конфигурација се нарекува (Микелсон, Michelson) интерферометар.

Фигура 6: Интерферометар со четири базични компоненти: ласер, разделувач на зракот, две вземно нормални огледала и фотодетектор
Фигура 6: Интерферометар со четири базични компоненти: ласер, разделувач на зракот, две вземно нормални огледала и фотодетектор (црната точка на дното од сликата)
Извор: https://www.ligo.caltech.edu/LA/page/what-is-interferometer
конструктивна интерференција и деструктивна интерференција
Фигура 7: конструктивна интерференција (лево) и деструктивна интерференција (десно)
Извор: https://www.ligo.caltech.edu/LA/page/what-is-interferometer

Бидејќи должината на патот којшто го минуваат двата зрака (растојание огледало-разделувач на зрак) е еднаков и брзината на светлината е константна, двата светлосни зрака ќе го изминат патот во еднакво време и при соединување ќе бидат во анти-фаза (максимумот од едниот бранот на едниот зрак ќе се поклопува со минимумот од бранот на другиот зрак) и двата зрака ќе се „поништат“ еден со друг, при што нема да се забележи никаков сигнал (деструктивна интерференција) на екран којшто ги набљудува овие два зрака (=фотодетектор). Но, доколку е присутен гравитационен бран, тогаш поради неговата квадри-поларна природа, должината на патот на едниот зрак ќе биде издолжена, а на другиот зрак ќе биде скратена при што растојанието меѓу двете огледала ќе се промени. Соодветно, на овие два зрака ќе им треба различно време за да се вратат до разделувачот на зракот, нема да бидат во анти-фаза и одреден сигнал ќе биде детектиран на фотодетекторот (конструктивна интерференција).

Овој принцип е едноставно и убаво прикажан во следново видео:

Должината на двете гранки на LIGO е 4 километри, но промената што би ја направил еден гравитационен бран на оваа должина е околу 1000ти дел од радиусот на протонот! Ова е исклучително мала промена, па физичарите сфатиле дека светлосните зраци треба да бидат подолги. Патот се издолжува со тоа што секоја гранка се претвора во така наречена резонантна оптичка празнина (во фигурата која следи, означени како cavity mirrors): светлото што влегува во оваа празнина се одбива постојано, стотици пати, пред да се соедини. Резултатот е зголемување на патот на светлото од 4 километри до повеќе од 1000 километри, па така промената во должината на гранките како последица на гравитациониот бран се зголемува и полесно се детектира. Овoј принцип визуелно е прикажан во фигурата која следи:

Модификација на базичниот Микелсон интерферометар со додавање на т.н. резонантна оптичка празнина
Фигура 8: Модификација на базичниот Микелсон интерферометар со додавање на т.н. резонантна оптичка празнина. Зракот се одбива стотици пати од овие огледала при што должината на зракот се издолжува значително.
Извор: LIGO detects gravitational waves, Sung Chang, Physics Today 69(4), 14 (2016); doi: 10.1063/PT.3.3123

На LIGO е работено со години и години: најважно било да се елиминираат сите надворешни термални и сеизмички ефекти, бидејќи тие можат да произведат лажни гравитациони бранови (на пример, при удар на автомобил во една од гранките години наназад, патот на зраците се изменил и фотодетекторот забележал ефект). Во 2014та година сите инструменти, вклучително и огледалата, беа изменети при што се комплетираше сето сервисирање на LIGO. Конечно, на 14.09.2015 во 5:51 часот во Ханфорд и 7 милисекунди подоцна во Ливингстон – првиот гравитационен бран беше детектиран! Важно е да се спомене дека на светлината ѝ требаат точно 7 милисекунди да го помине растојанието меѓу Ханфорд и Ливингстон што е уште една потврда за софистицираноста на оваа машина. На фигурата која следи се прикажаани детектираните сигнали:

Детектираниот сигнал на гравитациони бранови во Ливингстон и Ханфорд, САД
Фигура 9: Детектираниот сигнал на гравитациони бранови во Ливингстон и Ханфорд, САД
Извор: LIGO detects gravitational waves, Sung Chang, Physics Today 69(4), 14 (2016); doi: 10.1063/PT.3.3123

На x-оската е прикажано времето, додека на y-оската e прикажано издолжувањето. Со сино е означен сигналот во Ливингстон, додека со портокалово сигналот во Ханфорд. Црниот сигнал е производ на теоретска симулација. Лесно е да се забележи дека експерименталниот резултат се поклопува одлично со теоретското предвидување. Во најгорниот дел од фигурата, двата сигнали се поклопени за да се споредат полесно. Во оваа фигура, сигналот од Ливингстон е „помрднат“ на лево за да се компензира за времнската разлина од 7 милисекунди.

Оваа детекција на гравитационите бранови може да се погледне на следново видео:

Тука, краткиот звук којшто се повторува е соединувањето на една црна јама со маса од 29 соларни маси со друга црна јама со маса од 36 соларни маси одалечени 1,3 билион светлосни години. Финалната црна јама е со маса од 62 соларни маси. Важно е да се забележни дека 29 + 36 е 64, а не 62. Масата која „недостасува“ не е дел од финалната црна јама, туку е претворена во енергијата којашто го генерира гравитациониот бран. Така, финалниот објект кој генерира гравитациони бранови како последица од соединување на два масивни објекти ќе има помала маса од збирот на поединечните маси на овие два објекта.

Приказната не завршува овде. LIGO детектираше гравитациони бранови по втор пат на 25.12.2015 со што нивното постоење е сега повеќе од сигурно. Со оваа детеција Општата теорија на Релативност на Ајнштај е несомнено потврдена, но уште поважно – ни отвори еден нов прозорец кон Универзумот и една исклучително возбудлива ера за сите (астро)физичари.

Дискусија

Коментари