หนึ่งศตวรรษหลังจากอัลเบิร์ตไอน์สไตน์เขียนความเข้าใจพื้นที่และเวลาของเราอีกครั้งนักฟิสิกส์ได้ยืนยันหนึ่งในการคาดการณ์ที่เข้าใจยากที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา- ในกาแลคซีอีกแห่งหนึ่งห่างออกไปหนึ่งพันล้านปีแสงสีดำสองรูชนกันเขย่าผ้าของกาลอวกาศ ที่นี่บนโลกเครื่องตรวจจับยักษ์สองตัวที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของสหรัฐอเมริกาสั่นเทาขณะที่คลื่นความโน้มถ่วงล้างพวกมัน หลังจากหลายทศวรรษที่ผ่านมาพยายามตรวจจับคลื่นโดยตรงหอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงเลเซอร์ที่ได้รับการอัพเกรดเมื่อเร็ว ๆ นี้ซึ่งปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อ Advanced Ligo ดูเหมือนจะประสบความสำเร็จโดยนำไปสู่ยุคใหม่ของดาราศาสตร์
คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?
การชนกันของจักรวาลขนาดมหึมาและการระเบิดของดาวฤกษ์สามารถทำให้อวกาศสั่นสะเทือนได้ สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าระลอกคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศเปล่งประกายพลังงานออกไปจากหายนะดังกล่าว ระลอกคลื่นนั้นบอบบาง เมื่อถึงเวลาที่พวกเขามาถึงโลกมีการบีบอัดกาลอวกาศบางอย่างโดยเพียงหนึ่งในสิบของความกว้างของโปรตอน
พวกเขาตรวจพบได้อย่างไร?
เพื่อดูสัญญาณ Ligo ใช้กระจกพิเศษเพื่อแยกลำแสงของแสงเลเซอร์และส่งคานลงแขนยาว 4 กิโลเมตรสองกิโลเมตรที่มุม 90 องศาซึ่งกันและกัน หลังจากแฉ่กลับไปกลับมา 400 ครั้งเปลี่ยนการเดินทางของลำแสงแต่ละครั้งให้กลายเป็นการเดินทางไปกลับ 1,600 กิโลเมตรแสงรวมตัวกันอีกครั้งใกล้กับแหล่งที่มา
ลำแสงเลเซอร์
ลำแสงเลเซอร์ของ LIGO ถูกสร้างขึ้นภายในกล่องหุ้มสีเทา (ที่ซ้ายสุด) จากนั้นขยายเป็น 200 วัตต์และกรองก่อนที่จะถ่ายภาพเข้าไปในหลอดสุญญากาศตั้งฉากผ่าน Periscope สีดำ (หอคอยด้านขวา) กระจกเพิ่มเติม (ไม่แสดง) เพิ่มกำลังเลเซอร์เป็น 750 กิโลวัตต์ (พอยน์เตอร์เลเซอร์มือถือโดยการเปรียบเทียบมักจะมีเพียง 5 มิลลิวัตต์)
ตัวแยกลำแสง
ตัวแยกลำแสง (ในภาพ) แบ่งลำแสงเลเซอร์เป็นสองตัวส่งลำแสงแยกลงท่อสูญญากาศยาว 4 กิโลเมตร
ห้องแยกลำแสง
ตัวแยกลำแสงแขวนอยู่ในห้อง (ในภาพ) ที่แขนทั้งสองของเครื่องตรวจจับตัดกัน; แขนข้างหนึ่งอยู่ด้านหลังตัวแยกอีกข้างหนึ่งอยู่ทางซ้าย
มวลทดสอบ
หลังจากเดินทางไปตามท่อสูญญากาศสี่กิโลเมตรเลเซอร์ก็กระทบกับ“ มวลทดสอบ” กระจก 40 กิโลกรัมของซิลิกาหลอมรวม (ในภาพ) ที่สะท้อนลำแสงเลเซอร์กลับไปที่กระจกอีกตัวใกล้กับตัวแยกลำแสง การแฉกลำแสงเลเซอร์ระหว่างกระจกเหล่านี้ 400 ครั้งเดินทางไปรวม 1,600 กิโลเมตรก่อนที่จะรวมตัวกันอีกครั้งด้วยลำแสงในแขนอีกข้าง
กระจก
กระจกถูกแขวนไว้จากอุปกรณ์ที่ซับซ้อน (ในภาพ) ที่ออกแบบมาเพื่อลดการสั่นสะเทือนจากเสียงสั่นสะเทือนและเสียงความร้อน
แขนเครื่องตรวจจับ
หนึ่งในแขนแต่ละท่อสูญญากาศยาว 4 กิโลเมตรอยู่ในเปลือกคอนกรีต (ในภาพ) ใกล้ Hanford, Wash
การทดลองได้รับการออกแบบเพื่อให้ในสภาวะปกติคลื่นแสงจะยกเลิกกันเมื่อพวกเขารวมตัวกันใหม่ส่งสัญญาณแสงไปยังเครื่องตรวจจับใกล้เคียง
แต่คลื่นแรงโน้มถ่วงทอดยาวหนึ่งหลอดในขณะที่บีบอีกข้างหนึ่งเปลี่ยนระยะทางที่คานทั้งสองเดินทางสัมพันธ์กัน เนื่องจากความแตกต่างของระยะทางนี้คลื่นรวมตัวกันใหม่จึงไม่สอดคล้องกันอีกต่อไปและดังนั้นจึงไม่ยกเลิก เครื่องตรวจจับหยิบแสงจาง ๆ ส่งสัญญาณคลื่นที่ผ่าน
LIGO มีเครื่องตรวจจับหนึ่งตัวในหลุยเซียน่าและอีกแห่งหนึ่งในวอชิงตันเพื่อให้แน่ใจว่าคลื่นไม่ใช่ปรากฏการณ์ท้องถิ่นและเพื่อช่วยค้นหาแหล่งที่มา
แหล่งกำเนิดแรงโน้มถ่วงอื่น ๆ คืออะไร?
โดยการศึกษาการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์นักวิทยาศาสตร์สามารถทราบได้ว่าสัญญาณประเภทใดที่คาดหวังจากแหล่งคลื่นแรงโน้มถ่วงต่างๆ
ดาวนิวตรอนปั่น
ดาวนิวตรอนหมุนเดี่ยวแกนที่ถูกทิ้งไว้ข้างหลังหลังจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ระเบิดสามารถตีอวกาศได้ที่ความถี่คล้ายกับที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำ
ซุปเปอร์โนวา
การระเบิดที่ทรงพลังที่รู้จักกันในชื่อซูเปอร์โนวาซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวดวงใหญ่ตายสามารถเขย่าพื้นที่และระเบิดจักรวาลด้วยคลื่นความถี่สูงที่มีความถี่สูง
คู่หลุมดำมวลมหาศาล
คู่ของหลุมดำขนาดมหึมามากกว่าหนึ่งล้านเท่าที่มีขนาดใหญ่เท่ากับดวงอาทิตย์และใหญ่กว่าหลุมที่ตรวจพบ LIGO ขั้นสูง, คลื่นยาว, คลื่นลูกคลื่น แม้ว่า LIGO ขั้นสูงไม่สามารถตรวจจับคลื่นได้ที่ความถี่นี้นักวิทยาศาสตร์อาจมองเห็นพวกมันโดยมองหาการเปลี่ยนแปลงที่ลึกซึ้งในจังหวะที่คงที่ของพัลซาร์
บิ๊กแบง
บิ๊กแบงอาจก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงขนาดใหญ่เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน คลื่นเหล่านี้จะทิ้งรอยประทับไว้บนแสงแรกที่ปล่อยลงสู่ Cosmos 380,000 ปีต่อมาและสามารถมองเห็นได้ในพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล
เรากำลังมองหาคลื่นความโน้มถ่วงอีกอย่างไร?
Ligo ไม่ใช่เกมเดียวในเมืองเมื่อพูดถึงการล่าสัตว์เพื่อคลื่นความโน้มถ่วง นี่คือโครงการอื่น ๆ และอนาคตอีกสองสามโครงการ
เครื่องวัดอิง
เครื่องตรวจจับอื่น ๆ สองสามตัวที่คล้ายกับ LIGO อยู่ในยุโรป ที่เครื่องตรวจจับราศีกันย์ใกล้กับ Pisa ประเทศอิตาลีกำลังได้รับการอัพเกรดและจะร่วมมือกับ Ligo ในปลายปีนี้GEO600ใกล้ฮันโนเวอร์ประเทศเยอรมนีเป็นเครื่องวัดระยะเวลาเดียวที่ทำงานมาหลายปีในขณะที่ราศีกันย์และลิโกได้รับการปรับปรุงใหม่ อันเครื่องตรวจจับ LIGO ที่สามอันนี้ในอินเดียมีกำหนดจะเข้าร่วมการค้นหาในปี 2562
เครื่องวัดอวกาศ
ในอวกาศไม่มีใครได้ยินคุณกรีดร้อง คุณไม่ต้องจัดการกับปรากฏการณ์ที่อิงกับโลกที่น่ารำคาญเช่นแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว นักวิจัยได้ล็อบบี้หน่วยงานอวกาศยุโรปเพื่อวางเครื่องตรวจจับที่มีลักษณะคล้าย ligo ในอวกาศ-เสาอากาศอวกาศอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์ที่พัฒนาขึ้น- บางครั้งในปี 2030 ในความคาดหมายของ ELISA, ESAเปิดตัวเมื่อเร็ว ๆ นี้ที่Lisa Pathfinder, ภารกิจในการทดสอบเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงตามอวกาศ
อาร์เรย์เวลาพัลซาร์
เพื่อรับเสียงครวญครางที่ค่อนข้างต่ำของการชนกันของหลุมดำมวลมหาศาลนักวิจัยกำลังเปลี่ยนเป็นพัลซาร์ ดาวนิวตรอนที่หมุนอย่างรวดเร็วเหล่านี้ (คอร์ที่ถูกทิ้งไว้ข้างหลังหลังจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ระเบิด) ส่งคลื่นวิทยุอย่างต่อเนื่อง ในฐานะที่เป็นคลื่นความโน้มถ่วงบีบและยืดช่องว่างระหว่างโลกและพัลซาร์จังหวะจะปรากฏขึ้นเพื่อเร่งและลดน้อยลง สามโครงการ -อาร์เรย์เวลาพัลส์พัลซาร์ในออสเตรเลียnanogravในอเมริกาเหนือและอาร์เรย์เวลาพัลซาร์ยุโรปในยุโรป - กำลังติดตามพัลซาร์หลายสิบตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงจังหวะที่สามารถเปิดเผยได้ไม่เพียง แต่การชนเพียงครั้งเดียวเท่านั้น
โพลาไรเซชันพื้นหลังของไมโครเวฟ
คลื่นแรงโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากบิ๊กแบงจะทิ้งร่องรอยไว้บนพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลหรือ CMB การแผ่รังสีนี้เติมเต็มจักรวาลและเป็นของที่ระลึกจากช่วงเวลาที่แสงสามารถเดินทางได้อย่างอิสระผ่านจักรวาลประมาณ 380,000 ปีหลังคลอด CMB เก็บรักษาไว้ว่าพื้นที่ยืดออกและบีบตัวอย่างไรหลังจากการขยายตัวของมหัศจรรย์หนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านของวินาทีหลังจากบิ๊กแบง กล้องโทรทรรศน์จำนวนมากกำลังค้นหาลายเซ็นนี้โดยมองหารูปแบบเฉพาะในวิธีที่คลื่นแสง CMB จัดเรียงกัน มันไม่ใช่เรื่องง่าย ที่โครงการ bicep2เข้าใจผิดแล้วฝุ่นในทางช้างเผือกสำหรับเหมืองจักรวาล
เราเรียนรู้อะไรจากคลื่นความโน้มถ่วง?
ความสำเร็จของ LIGO นั้นคล้ายกับกาลิเลโอเปลี่ยนกล้องโทรทรรศน์ไปสู่ท้องฟ้า ก่อนหน้านั้นเรารู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับดวงดาวและดาวเคราะห์ เราไม่ได้ตระหนักว่ามีกาแลคซีอื่น ๆ และไม่มีแนวคิดเกี่ยวกับความมหัศจรรย์ของจักรวาล คลื่นความโน้มถ่วงเป็นวิธีใหม่ในการมองเห็นจักรวาล พวกเขาเป็นการยืนยันที่โดดเด่นของสัมพัทธภาพทั่วไปและจะเปิดเผยการระเบิดอย่างหายนะและการชนกันทั่วทั้งจักรวาล แต่เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ของกาลิเลโอสิ่งที่คลื่นความโน้มถ่วงสามารถสอนเราได้มาก
