Ko se dve črni luknji združita, sprostita ogromno energije. Ko je LIGO leta 2015 zaznal prvo združitev črne luknje, smo ugotovili, da so se kot gravitacijski valovi sprostile tri sončne mase v vrednosti energije. Toda gravitacijski valovi ne delujejo močno s snovjo. Učinki gravitacijskih valov so tako majhni, da bi morali biti zelo blizu združitve, da bi jih občutili. Kako torej lahko opazujemo gravitacijske valove združevanja črnih lukenj v milijonih svetlobnih let?
To je smešno težko. Gravitacijski valovi so valovi v strukturi prostor-časa. Ko gravitacijski val prehaja skozi predmet, se relativni položaji delcev v predmetu nekoliko premaknejo in le s temi premiki lahko zaznamo gravitacijske valove. Toda ta premik je majhen. LIGO meri premik s pari ogledal, ki so narazen 4 kilometre. Ko močan gravitacijski val prečka LIGO, se zrcala premaknejo le za nekaj tisočink širine protona.
Shema, ki prikazuje, kako deluje LIGO. Zasluge: Johan Jarnestad / Kraljeva švedska akademija znanosti
LIGO meri to razdaljo s postopkom, znanim kot laserska interferometrija. Svetloba ima valovite lastnosti, zato se, ko se dva svetlobna snopa prekrivata, združita kot valovi. Če se valovi svetlobe poravnajo ali so 'v fazi', potem postanejo svetlejši. Če niso v fazi, se izničijo in postanejo zatemnjene. Torej LIGO začne s svetlobnim žarkom, ki je v fazi, in ga razdeli, tako da pošlje en žarek vzdolž ene roke LIGO in enega vzdolž druge. Vsak žarek se odbije od ogledala, oddaljenega 4 kilometre, nato pa se vrne in se združi v en sam žarek, ki ga vidi detektor. Če se razdalja ogledala spremeni, se spremeni tudi svetlost kombinirane svetlobe.
Valovna dolžina svetlobe je reda mikrometra, a gravitacijski valovi premaknejo ogledala le za trilijonko te razdalje. Tako LIGO vsak žarek potuje naprej in nazaj vzdolž roke stokrat, preden se združita. To dramatično poveča občutljivost LIGO, povzroča pa tudi druge težave.
LIGO ogledala se nadgrajujejo. Zasluge: Caltech/MIT/LIGO Lab
Za delovanje je treba ogledala LIGO izolirati od vseh vibracij ozadja s tal in bližnjih instrumentov. Da bi to dosegli, so zrcalni nizi obešeni s tankimi steklenimi nitmi. Celoten sistem je treba postaviti tudi v vakuum. Detektor je tako občutljiv, da se molekule zraka, ki prehajajo skozi svetlobne žarke, zajamejo kot hrup. Zračni tlak v vakuumski komori LIGO je manjši od trilijonke atmosfere, kar je nižje od medgalaktičnega prostora.
Do meja človeškega inženiringa je sistem LIGO izoliran vakuumski sistem, kjer je edina stvar, ki lahko premika ogledala, sama gravitacija. Ni popolno, je pa zelo dobro. Tako dobro, da postanejo stvari čudne. Tudi če bi bil detektor popolnoma izoliran in postavljen v popoln vakuum, bi detektorji še vedno ujeli hrup. Sistem je tako občutljiv, da lahko zajame kvantna nihanja v praznem prostoru.
Osrednja lastnost kvantnih sistemov je, da jih nikoli ni mogoče popolnoma omejiti. To je del Heisenbergovega načela negotovosti. To velja tudi za vakuum. To pomeni, da se v vakuumu pojavijo kvantna nihanja. Ko fotoni svetlobe potujejo skozi ta nihanja, se nekoliko premaknejo. Zaradi tega se svetlobni žarki nekoliko premaknejo iz faze. Predstavljajte si floto majhnih čolnov, ki plujejo po razburkanem morju, in kako težko bi jih bilo obdržati skupaj.
Od blizu je LIGO-jev kvantni ožemalnik. Zasluge: Maggie Tse
Toda kvantna negotovost je smešna stvar. Čeprav bodo vidiki kvantnega sistema vedno negotovi, so lahko njegovi deli izjemno natančni. Ulov je v tem, da če en del naredite bolj natančen, postane drugi del manj natančen. Za svetlobo to pomeni, da lahko ohranite fazo žarka bolj poravnano, tako da postane svetlost svetlobe bolj negotova. To je znano kot stisnjena svetloba, ker eno negotovost zmanjšate za ceno druge.
Animacija, ki prikazuje stisnjeno stanje svetlobe. Zasluge: uporabnik Wikipedije Geek3
To stisnjeno stanje svetlobe se izvaja preko optičnega parametričnega oscilatorja. V bistvu je niz ogledal okoli posebne vrste kristala. Ko svetloba prehaja skozi kristal, zmanjša nihanja v fazi. Nihanja v amplitudi postanejo večja, vendar je faza, ki je najbolj pomembna za detektorje LIGO.
S to nadgradnjo naj bi se občutljivost LIGO podvojila. To bo astronomom pomagalo jasneje videti združitve črnih lukenj. To bi lahko tudi omogočilo LIGO, da vidi nove vrste združitev. Tisti, ki so šibkejši ali dlje, kot smo jih kdaj videli.
vir: Novi instrument razširja doseg LIGO , novice MIT.
