LIVINGSTON, La. - La aproximativ un kilometru și jumătate dintr-o clădire atât de mare încât o poți vedea din spațiu, fiecare mașină de pe drum se încetinește. Șoferii știu să ia foarte în serios limita de viteză de 10 km / h (16 km / h): aceasta se datorează faptului că clădirea găzduiește un detector masiv care vânează vibrații cerești la cea mai mică scară încercată vreodată. Nu este surprinzător, este sensibil la toate vibrațiile pământești din jurul său, de la zvonurile unei mașini care trec până la dezastre naturale din cealaltă parte a globului.
Drept urmare, oamenii de știință care lucrează la unul dintre detectoarele LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) trebuie să meargă la lungimi extraordinare pentru a vâna și a elimina toate sursele potențiale de zgomot - încetinind traficul în jurul detectorului, monitorizând fiecare tremur minuscul din teren, chiar suspendând echipamentul de la un sistem de pătruplu cu patru cvadrupluri care minimizează vibrațiile - toate în efortul de a crea cel mai „silențios” punct vibrațional de pe Pământ.
"Totul se referă la vânătoarea de zgomot", a spus Janeen Romie, conducătorul grupului de detectori LIGO din Louisiana.
De ce sunt fizicienii LIGO atât de obsedați de eliminarea zgomotului și de crearea celui mai lipsit de vibrații de pe planetă? Pentru a înțelege asta, trebuie să știți care sunt undele gravitaționale și cum LIGO le detectează în primul rând. Conform relativității generale, spațiul și timpul fac parte din același continuum, pe care Einstein l-a numit spațiu-timp. Și în spațiu-timp, obiectele masive care accelerează rapid pot produce valuri gravitaționale, care arată ca ondulările care radiază spre exterior atunci când o pietricică este aruncată pe suprafața unui iaz. Aceste valuri dezvăluie întinderea și contracția țesăturii cosmosului în sine.
Cum măsori schimbările în spațiul-timp în sine, când orice dispozitiv de măsurare ar experimenta aceleași schimbări? Soluția ingenioasă este ceea ce se numește interferometru. Se bazează pe faptul că undele gravitaționale întind spațiul-timp de-a lungul unei direcții, în timp ce îl contractă de-a lungul direcției perpendiculare. Gândiți-vă la o orificiu de apă: Când trece un val, ea se ridică în sus și în jos. În cazul unei unde gravitaționale care radiază pe Pământ, totul oscilează atât de ușor înainte și înapoi, în loc de în sus și în jos.
Detectorul LIGO este format dintr-o sursă de lumină laser, un divizor de fascicul, mai multe oglinzi și un detector de lumină. Lumina părăsește laserul, este împărțită în două fascicule perpendiculare de către un pliant, apoi parcurge distanțe egale pe brațele interferometrului până la două oglinzi, unde lumina se reflectă în jos în brațe. Ambele grinzi au lovit apoi detectorul, care este așezat vizavi de una dintre oglinzile reflectorizante. Când o undă gravitațională trece prin interferometru, ea face ca unul dintre brațe să fie ceva mai lung, iar celălalt ușor mai scurt, deoarece întinde spațiul de-a lungul unei direcții în timp ce îl comprimă de-a lungul altuia. Această schimbare infinitesimă se înregistrează în modelul de lumină care lovește lumina. detector. Nivelul de sensibilitate al LIGO este echivalent cu „măsurarea distanței până la cea mai apropiată stea (aproximativ 4,2 ani-lumină) la o precizie mai mică decât lățimea unui păr uman”, potrivit site-ului de colaborare LIGO.
Pentru a putea detecta această undă a lățimii părului, oamenii de știință merg la lungimi extreme pentru a elimina orice tulburări potențiale ale acestei configurații fin ajustate, a spus Carl Blair, cercetător postdoctoral la LIGO care studiază opto-mecanica sau interacțiunea luminii cu sistemele mecanice.
Pentru început, brațele cu o lungime de 2,5 km (4 kilometri) se află într-unul dintre cele mai perfecte vacuumuri din lume, ceea ce înseamnă că este aproape fără molecule, deci nimic nu poate interfera cu calea fasciculului. Detectoarele sunt, de asemenea, înconjurate de tot felul de dispozitive (seismometre, magnetometre, microfoane și detectoare de raze gamma, ca să numim câteva) care măsoară tulburările din date și le elimină.
Orice lucru care ar putea interfera sau ar putea fi interpretat în mod greșit ca un semnal cu unde gravitaționale trebuie, de asemenea, să fie vânat și eliminat, a spus Blair. Aceasta include imperfecțiuni în interiorul detectorului - ceea ce se numește zgomot - sau tulburări non-astrofizice care sunt preluate de instrument - ceea ce sunt cunoscute sub numele de glitches. Fizicienii trebuie să țină cont chiar de vibrațiile atomilor care alcătuiesc oglinda detectorului și de fluctuațiile aleatoare ale curentului în electronică. La o scară mai mare, glitch-urile pot fi orice, de la un tren de marfă care trece la un corb însetat.
Și glitches-urile pot fi cu adevărat dificile pentru a face unghii în jos. Când Arnaud Pele s-a alăturat echipei de detectoare - inginerie de la LIGO, i s-a atribuit sarcina de a afla de unde provine o perturbare deosebit de grea: instrumentele care măsurau mișcarea pământului în jurul detectoarelor de unde gravitaționale nu înregistrau un vârf constant și nimeni știa de ce. După câteva luni de somn înfundat, el a găsit vinovatul: o stâncă neobișnuită depusă între sol și câteva arcuri mecanice în cadrul unui sistem de ventilație. Din cauza rocii, arcurile nu au putut împiedica vibrația ventilatorului să apară în detector, provocând semnalul de mister. "Este o parte foarte amuzantă a meseriei mele, făcând chestiile astea de detectivi", a spus Pele. "De cele mai multe ori, sunt soluții simple." În căutarea unor vibrații infinitesim mici de la îndepărtatele universului, adevărata lucrare poate fi foarte coborâtă pe Pământ.
Cel mai important, poate, sunt trei detectori: Pe lângă cel din Louisiana, există unul în Hanford, Washington și un al treilea în Italia: „Dacă ceva este real, trebuie să arate la fel în toți detectoarele”, a spus membrul colaborării LIGO Salvatore Vitale, profesor asistent de fizică la MIT. Dacă este vorba despre un tren de marfă sau o stâncă depusă sub un izvor, va apărea doar într-unul dintre cei trei detectori.
Cu toate aceste instrumente și cu niște algoritmi foarte sofisticați, oamenii de știință sunt capabili să cuantifice probabilitatea ca un semnal să fie într-adevăr o undă gravitațională. Ele pot chiar să calculeze rata falsă de alarmă pentru o anumită detectare sau posibilitatea ca semnalul exact să apară din greșeală. Unul dintre evenimentele de la începutul acestei veri, de exemplu, a avut o rată de alarmă falsă de mai puțin de o dată în 200.000 de ani, ceea ce o face un candidat extrem de convingător. Dar va trebui să așteptăm până la expirarea verdictului final.
Raportarea pentru acest articol a fost parțial susținută de o subvenție de la Fundația Națională a Științei.
