KOLUMBUS, Ohio - 2,5 miili pikkune gravitatsiooniline lainedetektor pole lahe. Kas sa tead, mis on lahe? 25 miili pikkune gravitatsioonilise laine detektor.
See on tulemus laupäeval (14. aprillil) Ameerika füüsikaühingu aprillikuisel koosolekul peetud kõneluste seeriast. Järgmise põlvkonna gravitatsioonilise laine detektorid astuvad üksteise poole kuni vaadeldava universumi välisservani, otsides rippumisi kosmoseaja sisemuses, mis Einsteini sõnul ilmneks massiivsete objektide, näiteks mustade aukude põrkumisel. Kuid nende ehitamisel on veel mitmeid olulisi väljakutseid, rääkisid saatejuhid publikule.
"Praegused detektorid, mida võite arvata, on väga tundlikud," rääkis MIT-i füüsik Matthew Evans Publikule. "Ja see on tõsi, kuid need on ka kõige vähem tundlikud detektorid, mille abil saate gravitatsioonilisi laineid tuvastada."
Praegustel detektoritel pole muidugi midagi aevastada. Kui 2,5 miili pikkune (4 kilomeetrit) laserinterferomeetri gravitatsiooniliste lainete vaatluskeskus (LIGO) tuvastas esmakordselt kosmoseaja kasvu ja kahanemise 2015. aastal - gravitatsiooniline kaja 1,3 miljardit aastat kestnud kokkupõrkest kahe musta augu vahel - see tõestas laiaulatuslike, nähtamatute gravitatsiooniliste lainete olemasolu, mis olid kunagi täiesti teoreetilised, ja viis vaid kahe aasta pärast LIGO loojate Nobeli preemia saamiseni.
Kuid LIGO ja tema nõbu, 1,9 miili pikkune (3 km) itaalia instrument Virgo, on põhimõtteliselt piiratud, ütlesid esinejad. Mõlemad detektorid on tõesti võimelised tuvastama gravitatsioonilaineid objektidelt, mis on Maa lähedal suhteliselt lähedal kogu universumi skaalal, ütles MIT-i füüsik Salvatore Vitale. Samuti on piiratud nende objektide tüübid, mida nad saavad tuvastada.
Seni on praegusest interferomeetrite põlvkonnast olnud tõepoolest vaid kaks peamist tulemust: 2015. aastal musta augu ühinemise tuvastamine ja 2017. aasta augustis kahe neutronitähe kokkupõrke tuvastamine (ka kuum teema konverentsil). On avastatud veel mõned musta auguga kokkupõrked, kuid need pole esimese tuvastamise korral eriti hämmastavaid tulemusi pakkunud.
Ehitage mõõtkavas täpsemaid LIGO-sid ja Virgosid või teistsugust suuremahulist detektorit, mille nimi on "Einsteini teleskoop", ütles Evans ja lainete tuvastamise kiirus võib hüpata ühelt iga paari kuu tagant rohkem kui miljonile igal aastal. .
"Kui ma ütlen, et need detektorid viivad meid universumi servani, pean ma silmas, et nad suudavad tuvastada peaaegu iga ühendatava binaarsüsteemi," ütles ta, viidates tähtede, mustade aukude ja neutrontähtede paaridele, mis põrkuvad.
See tähendab võimalust avastada mustad augud universumi väga varajastest aastatest, uurida gravitatsiooni sügavaid müsteeriume ja potentsiaalselt tuvastada esmakordselt ka supernoova liikuva tähe gravitatsioonilained, mis varisevad kokku neutronitäheks või mustaks auguks. .
Suurem on parem
Miks viivad suuremad detektorid gravitatsioonilainete tundlikumale otsingule? Selle mõistmiseks peate mõistma, kuidas need detektorid töötavad.
LIGO ja Neitsi on, nagu Live Science on varem teatanud, põhimõtteliselt hiiglaslikud L-kujulised valitsejad. Kaks tunnelit hargnevad üksteisest täisnurga all, laserite abil, et tunnelite pikkusi mõõta väga täpselt hetkega. Kui gravitatsioonilaine läbib detektorit, kergitades ruumi ise, muudab see pikkus pisikest. See, mis kord oli miil, saab lühidalt pisut vähem kui miil. Ja laser, läbides selle lühema vahemaa pisut kiiremini, näitab, et muutus on toimunud.
Kuid selle mõõtmise täpsus on piiratud. Enamik laineid koperdab laserit liiga vähe, et interferomeetrid märkaksid. Evans ütles, et LIGO ja Neitsi olemasolevate tunnelite tuvastamistehnoloogia täiustamine võib asja pisut parandada, ja seda on kavas teha. Kuid signaali tõeliseks võimendamiseks on tema sõnul ainus võimalus minna palju suuremaks.
Järgmine samm on L.8-mõõtmelise L.8O suurusega 24,86 miili pikkuste (40 km) harudega L-kujuline detektor, ütles Evans. Ta nimetas ettepanekut "kosmoseuurijaks". See oleks piisavalt suur, et avastada peaaegu kõike, mida gravitatsioonilise laine detektor võiks tuvastada, kuid ta pole nii suur, et selle aluseks olev füüsika hakkab lagunema või kulud muutuvad talumatult kõrgeks, isegi sellise silmaümbruse jaoks kalli teaduse jaoks projekti. (LIGO lõplik maksumus ulatus sadadesse miljonitesse dollaritesse.)
Miks siis sellise mõõtmega detektor, mitte kaks korda või kümme korda suurem?
Evans ütles, et teatud ajahetkel, umbes 40 km (umbes 24,86 miili) pikkusele, kulub tunneli ühest otsast teise liikumiseks nii kaua, et katse võib muutuda häguseks, muutes tulemused pigem täpseks kui rohkem.
Vähemalt sama keerulised on kulud. LIGO ja Neitsi on piisavalt väikesed, et Maa kumerus ei olnud oluline ehitusprobleem, ütles Evans. Kuid 40 km (40 km) kaugusel haruastmest tähendab iga tunneli otste maapinnale asetamine seda, et tunnelite keskpunktid peavad olema 30 meetrit 98,43 jalga maa all (eeldusel, et maapind on täiesti tasane).
"Üle 40 kilomeetri," ütles Evans, "mustuse kaubavedude vahemaa võtab kulud üle."
Põhiprobleemiks on ka sellise suure detektori ehitamiseks piisavalt suure tühja ruumi leidmine. Evans ütles, et Euroopas pole kusagil põhimõtteliselt kuskil piisavalt suurt ruumi ja USA-s piirduvad võimalused Utahis asuva Suure Soolajärve ja Nevada Black Rocki kõrbe piirkonnaga.
Need kosmoseprobleemid juhivad alternatiivset massiivset gravitatsioonilise laine detektori konstruktsiooni, mida nimetatakse Einsteini teleskoobiks. Evans ütles, et L-kuju on parim viis gravitatsioonilaine mõõtmiseks. Kolme tunneli ja mitmete detektoritega kolmnurk võib teha peaaegu sama head tööd, võttes samas palju väiksema ruumi, mis sobib ideaalselt Euroopa geograafiliste piirangute jaoks.
Need detektorid on valmimisest endiselt 15-20 aasta kaugusel, ütles Vitale ja kogu nende ehitamiseks vajalik tehnoloogia pole veel leiutatud. Sellegipoolest ütlesid nii tema kui ka Evans kokkupandud teadlastele, et "nüüd on käes aeg" nende kallal töötama hakata. Juba Vitale sõnul on kaheksa töörühma, kes koostavad 2018. aasta detsembriks aruande selliste massiliste seadmete teadusliku põhjenduse kohta.
Üks publiku liige küsis Evanselt, kas on mõttekas ehitada näiteks 5 miili pikkune (8 km) detektor, samal ajal kui tõeline kosmoseuurija või täisskaalaga Einsteini teleskoop jääb enam kui kümne aasta kaugusele.
Kui ta oleks rahastamiskomitees, ei kiidaks ta sellist projekti heaks, sest LIGO suuruse kahekordistamisest tulenev teaduslik tulu pole lihtsalt nii suur, ütles Evans. Ta lisas, et sellise projekti kulud on õigustatud ainult tunneli ülemistes piirides.
"Kui ma seda mingil põhjusel ei teadnud, pole see lihtsalt seda väärt," ütles ta.
Siiski ei tähenda Vitale, et teadlased peavad gravitatsioonilaine tulemuste järgmise suure faasi jaoks ootama 15 kuni 20 aastat. Kuna võrku tuleb rohkem praeguse skaalaga detektoreid, sealhulgas Neitsisuurust Kamioka gravitatsioonilainedetektorit (KAGRA) Jaapanis ja LIGO-suurust LIGO-Indiat ning olemasolevate detektorite täiustamisel on teadlastel võimalus mõõta üksikuid gravitatsioonilaineid mitme nurga alt korraga, võimaldades rohkem tuvastamisi ja täpsemaid järeldusi nende päritolu kohta.
