Yerçekimi dalgası gözlemevi - Gravitational-wave observatory

Bir lazer interferometrenin şematik diyagramı.

Bir çekim dalga detektörü (a kullanılan çekim dalga gözlem ) küçük bozulmaları ölçmek için tasarlanmış herhangi bir cihazdır uzay-zaman adı yerçekimi dalgalar . 1960'lardan bu yana, çeşitli yerçekimi dalgası dedektörleri inşa edildi ve sürekli iyileştirildi. Günümüz lazer interferometreleri, astronomik kaynaklardan gelen yerçekimi dalgalarını tespit etmek için gerekli hassasiyete ulaştı ve böylece yerçekimi dalgası astronomisinin birincil aracını oluşturdu .

Yerçekimi dalgaların birinci doğrudan tespiti ile 2015 yılında yapılan Gelişmiş LIGO , gözlem 2017 verildi bir başarı Fizik Nobel .

Meydan okuma

Yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti , dalgaların bir dedektör üzerinde ürettiği olağanüstü küçük etki nedeniyle karmaşıktır . Küresel bir dalganın genliği, kaynaktan uzaklığın tersi olarak düşer. Böylece, ikili kara delikleri birleştirmek gibi aşırı sistemlerden gelen dalgalar bile Dünya'ya ulaştıklarında çok küçük bir genliğe kadar yok olurlar. Astrofizikçiler, Dünya'dan geçen bazı yerçekimi dalgalarının LIGO boyutlu bir cihazda 10 - 18  m düzeyinde diferansiyel hareket üretebileceğini tahmin ettiler .

Rezonans kütle antenleri

Beklenen dalga hareketini algılamak için basit bir cihaza rezonans kütle anteni denir - dış titreşimlerden izole edilmiş büyük, sağlam bir metal gövde. Bu tür bir alet, ilk tür yerçekimi dalgası detektörüdür. Bir olay yerçekimi dalgası nedeniyle uzaydaki suşlar, vücudun rezonans frekansını uyarır ve böylece saptanabilir seviyelere yükseltilebilir. Muhtemelen, yakındaki bir süpernova, rezonant amplifikasyon olmadan görülebilecek kadar güçlü olabilir. Bununla birlikte, 2018 yılına kadar, antenleri çalıştıran araştırmacıların bazı gözlemlerine rağmen, araştırma topluluğu tarafından yaygın olarak kabul edilen hiçbir yerçekimi dalgası gözlemi, herhangi bir tür rezonans kütle anteninde yapılmamıştır.

İnşa edilmiş üç tür rezonans kütle anteni vardır: oda sıcaklığında çubuk antenler, kriyojenik olarak soğutulmuş çubuk antenler ve kriyojenik olarak soğutulmuş küresel antenler.

En eski tip, Weber çubuğu adı verilen, oda sıcaklığında çubuk şeklindeki antendi ; bunlar 1960'larda ve 1970'lerde baskındı ve çoğu dünya çapında inşa edildi. Weber ve diğerleri tarafından 1960'ların sonlarında ve 1970'lerin başlarında bu cihazların yerçekimi dalgalarını tespit ettiği iddia edildi; ancak, diğer deneyciler bunları kullanarak yerçekimi dalgalarını tespit edemediler ve Weber çubuklarının yerçekimi dalgalarını tespit etmek için pratik bir araç olmayacağı konusunda bir fikir birliği geliştirildi.

1980'lerde ve 1990'larda geliştirilen ikinci nesil rezonans kütle antenleri, bazen Weber çubukları olarak da adlandırılan kriyojenik çubuk antenleriydi. 1990'larda beş büyük kriyojenik çubuk anten vardı: AURIGA (Padua, İtalya), NAUTILUS (Roma, İtalya), EXPLORER (CERN, İsviçre), ALLEGRO (Louisiana, ABD), NIOBE (Perth, Avustralya). 1997 yılında, dört araştırma grubu tarafından yönetilen bu beş anten, işbirliği için Uluslararası Yerçekimsel Olay İşbirliğini (IGEC) oluşturdu. Arka plan sinyalinden birkaç açıklanamayan sapma vakası varken, bu detektörlerle yerçekimi dalgalarının gözlemlenmesinin doğrulanmış hiçbir örneği yoktu.

1980'lerde ayrıca ALTAIR adında bir kriyojenik çubuk anten vardı ve bu anten, GEOGRAV adı verilen oda sıcaklığında çubuk antenle birlikte daha sonraki çubuk antenler için bir prototip olarak İtalya'da inşa edildi. GEOGRAV dedektörünün operatörleri, süpernova SN1987A'dan (Weber'in başka bir oda sıcaklığı çubuğuyla birlikte) gelen yerçekimi dalgalarını gözlemlediklerini iddia ettiler , ancak bu iddialar daha geniş topluluk tarafından benimsenmedi.

Weber çubuğunun bu modern kriyojenik formları, titreşimi algılamak için süper iletken kuantum girişim cihazları ile çalıştırıldı (örneğin ALLEGRO). Bazıları interferometrik antenler astrofiziksel hassasiyete ulaşmaya başladıktan sonra, örneğin İtalya'da INFN'de bulunan bir ultraakriyojenik rezonant silindirik çubuk yerçekimi dalgası detektörü olan AURIGA gibi bazıları çalışmaya devam etti . AURIGA ve LIGO ekipleri ortak gözlemlerde işbirliği yaptı.

2000'lerde, üçüncü nesil rezonans kütle antenleri olan küresel kriyojenik antenler ortaya çıktı. 2000 yılı civarında dört küresel anten önerildi ve bunlardan ikisi küçültülmüş versiyonlar olarak yapıldı, diğerleri iptal edildi. Önerilen antenler GRAIL (Hollanda, MiniGRAIL'e küçültüldü ), TIGA (ABD, küçük prototipler yapıldı), SFERA (İtalya) ve Graviton (Brezilya, Mario Schenberg'e küçültüldü ) idi.

İki küçültülmüş anten, MiniGRAIL ve Mario Schenberg , tasarım açısından benzerdir ve ortak bir çaba olarak çalıştırılır. MiniGRAIL, Leiden Üniversitesi'nde yerleşiktir ve kriyojenik olarak 20 mK'ye (−273.1300 ° C; −459.6340 ° F) soğutulmuş, titizlikle işlenmiş 1.150 kg (2.540 lb) küreden oluşur. Küresel konfigürasyon, tüm yönlerde eşit hassasiyete izin verir ve deneysel olarak, yüksek vakum gerektiren daha büyük doğrusal cihazlardan biraz daha basittir. Olaylar , dedektör küresinin deformasyonu ölçülerek tespit edilir . MiniGRAIL, 2–4 kHz aralığında son derece hassastır ve dönen nötron yıldızı dengesizliklerinden veya küçük kara delik birleşmelerinden kaynaklanan yerçekimi dalgalarını tespit etmek için uygundur.

Şu anki kriyojenik rezonans kütle dedektörlerinin son derece güçlü (ve dolayısıyla çok nadir) yerçekimi dalgalarından başka herhangi bir şeyi tespit edecek kadar hassas olmadığı şu anki fikir birliğidir. 2020 itibariyle, kriyojenik rezonant antenler tarafından yerçekimi dalgalarının tespiti gerçekleşmedi.

Lazer interferometreler

Bir yerçekimi dalgası gözlemevinin basitleştirilmiş çalışması
Şekil 1 : Bir ışın ayırıcı (yeşil çizgi), tutarlı ışığı (beyaz kutudan) aynalardan yansıyan (camgöbeği oblonglar) iki ışına böler; her koldaki yalnızca bir giden ve yansıyan ışın gösterilir ve netlik için ayrılmıştır. Yansıyan ışınlar yeniden birleşir ve bir girişim modeli algılanır (mor daire).
Şekil 2 : Sol koldan (sarı) geçen bir yerçekimi dalgası uzunluğunu ve dolayısıyla girişim modelini değiştirir.
Ana madde: İnterferometrik yerçekimi dalgası dedektörü

Daha hassas bir detektör, ayrılmış 'serbest' kütleler arasındaki yerçekimi dalgasının neden olduğu hareketi ölçmek için lazer interferometri kullanır . Bu, kütlelerin büyük mesafelerle ayrılmasına izin verir (sinyal boyutunu arttırır); diğer bir avantajı, geniş bir frekans aralığına duyarlı olmasıdır (Weber çubuklarında olduğu gibi sadece bir rezonansa yakın olanlara değil). Yer tabanlı interferometreler artık kullanıma hazır. Şu anda en hassas olanı LIGO - Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi. LIGO'nun iki detektörü vardır: biri Livingston, Louisiana'da ; diğeri ise Washington , Richland'daki Hanford sitesinde . Her biri 4 km uzunluğunda iki hafif saklama kolundan oluşur . Bunlar, ışığın 4 kilometrenin (2.5 mi) tamamını çalıştıran 1 m (3 ft 3 inç) çapındaki vakum tüplerinden geçmesiyle birbirine 90 derecelik açıdadır. Yoldan geçen bir yerçekimi dalgası, diğerini kısaltırken bir kolu hafifçe gerer. Bu tam olarak bir Michelson interferometresinin en hassas olduğu harekettir.

Bu kadar uzun kollarla bile, en güçlü yerçekimi dalgaları, kolların uçları arasındaki mesafeyi en fazla kabaca 10-18  metre değiştirecektir. LIGO, bu kadar küçük yerçekimi dalgalarını algılayabilmelidir . LIGO'ya ve VIRGO , GEO 600 ve TAMA 300 gibi diğer dedektörlere yapılan yükseltmeler, hassasiyeti daha da artırmalıdır; yeni nesil enstrümanlar (Advanced LIGO Plus ve Advanced Virgo Plus) birkaç tane daha hassas faktör olacaktır. Bir diğer son derece hassas interferometre ( KAGRA ) 2020'de faaliyete geçti. Önemli bir nokta, hassasiyetteki on kat artışın ("erişim" yarıçapı) cihaz tarafından erişilebilen alan hacmini bin artırmasıdır. Bu, algılanabilir sinyallerin görülme oranını onlarca yıllık gözlemde birden, yılda onlara çıkarır.

İnterferometrik dedektörler , lazerlerin rastgele foton ürettiği için oluşan atış gürültüsüyle yüksek frekanslarda sınırlandırılır ; Bir benzetme yağışla ilgilidir - lazer yoğunluğu gibi yağış oranı ölçülebilir, ancak yağmur damlaları, fotonlar gibi rastgele zamanlarda düşer ve ortalama değer etrafında dalgalanmalara neden olur. Bu, detektörün çıkışında radyo statik gibi gürültüye neden olur. Ayrıca yeterince yüksek lazer gücü için lazer fotonları tarafından test kütlelerine aktarılan rastgele momentum aynaları sallar, düşük frekanslarda sinyalleri maskelemektedir. Termal gürültü (örneğin, Brown hareketi ) duyarlılığın başka bir sınırıdır. Bu "sabit" (sabit) gürültü kaynaklarına ek olarak, tüm yer tabanlı dedektörler ayrıca sismik gürültü ve diğer çevresel titreşim türleri ve diğer "sabit olmayan" gürültü kaynakları tarafından düşük frekanslarda sınırlandırılır ; mekanik yapılardaki çatlaklar, yıldırım veya diğer büyük elektriksel bozukluklar, vb. ayrıca bir olayı maskeleyen gürültü yaratabilir veya hatta bir olayı taklit edebilir. Bir tespitin gerçek bir yerçekimi dalgası olayı olarak değerlendirilebilmesi için önce tüm bunlar hesaba katılmalı ve analiz tarafından dışlanmalıdır.

LISA ve DECIGO gibi uzay tabanlı interferometreler de geliştirilmektedir. LISA'nın tasarımı, her bir uzay aracından diğer uzay aracına giden lazerler iki bağımsız interferometre oluşturan eşkenar üçgen oluşturan üç test kütlesini gerektirir. LISA'nın Dünya'yı takip eden bir güneş yörüngesini işgal etmesi planlanıyor ve üçgenin her bir kolu beş milyon kilometre uzunluğunda. Bu, dedektörü Dünya bazlı gürültü kaynaklarından uzakta mükemmel bir boşluğa yerleştirir , ancak yine de atış gürültüsüne ve ayrıca kozmik ışınlar ve güneş rüzgarının neden olduğu artefaktlara duyarlı olacaktır .

Einstein @ Ev

Ana madde: Einstein @ Home

Bir anlamda, tespit edilmesi en kolay sinyaller sabit kaynaklar olmalıdır. Süpernova ve nötron yıldızı veya kara delik birleşmeleri daha büyük genliklere sahip olmalı ve daha ilginç olmalı, ancak oluşan dalgalar daha karmaşık olacak. Dönen, engebeli bir nötron yıldızının yaydığı dalgalar , akustikteki saf bir ton gibi " tek renkli " olacaktır . Genlik veya frekansta çok fazla değişmez.

Einstein @ Home projesi olduğunu dağıtılmış hesaplama benzer proje SETI @ home basit yerçekimi dalgası bu tür algılamak için tasarlanmıştır. Einstein @ Home, LIGO ve GEO'dan veri alarak ve küçük parçalar halinde ev bilgisayarlarında paralel analiz için binlerce gönüllüye göndererek, verileri başka türlü mümkün olabileceğinden çok daha hızlı bir şekilde eleyebilir.

Pulsar zamanlama dizileri

Ana madde: Pulsar zamanlama dizisi

Avrupa Pulsar Zamanlama Dizisi , Kütleçekim Dalgaları için Kuzey Amerika Nanohertz Gözlemevi ve Parkes Pulsar Zamanlama Dizisi gibi, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için farklı bir yaklaşım, pulsar zamanlama dizileri tarafından kullanılmaktadır . Bu projeler, bu dalgaların iyi bilinen 20-50 milisaniye pulsarlarından oluşan bir diziden gelen sinyaller üzerindeki etkisine bakarak yerçekimsel dalgaları tespit etmeyi önermektedir . Dünya'dan geçen bir yerçekimi dalgası bir yönde uzayı daraltırken diğerinde uzayı genişletirken, bu yönlerden gelen pulsar sinyallerinin geliş zamanları buna göre değişir. Gökyüzünde sabit bir pulsar setini inceleyerek, bu diziler nanohertz aralığında yerçekimi dalgalarını tespit edebilmelidir. Bu tür sinyallerin, birleşen süper kütleli kara delik çiftleri tarafından yayılması bekleniyor.

Kozmik mikrodalga arka planda algılama

Ana madde: Kozmik mikrodalga arkaplan § Polarizasyon

Kozmik mikrodalga arka plan, Evren'in ilk atomların oluşması için yeterince soğuduğu zamandan kalan radyasyon, Evrenin çok erken dönemlerinden gelen yerçekimi dalgalarının izlerini içerebilir . Mikrodalga radyasyonu polarize edilmiştir. Polarizasyon modeli, E- modları ve B- modları olarak adlandırılan iki sınıfa ayrılabilir . Bu, benzer şekilde, bir elektrostatik elektrik alanı ( E -Tarla) bir sıfırdan farklı kıvrılmasını ve manyetik alan ( B -Tarla) bir sıfırdan farklı sapma . E -modes çeşitli işlemler ile oluşturulabilir, fakat B -modes sadece üretilebilir yerçekimi mercekleme , yerçekimi dalgaları , ya da saçılma toz .

17 Mart 2014'te Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'ndeki gökbilimciler , kozmik mikrodalga arka planındaki baskı yerçekimi dalgalarının görünür şekilde tespit edildiğini duyurdular; bu, doğrulanırsa, enflasyon ve Büyük Patlama için güçlü kanıtlar sağlayacaktır . Bununla birlikte, 19 Haziran 2014 tarihinde, bulguları teyit etme konusundaki güvenin azaldığı bildirildi; 19 Eylül 2014'te ise güveni daha da düşürdü. Son olarak, 30 Ocak 2015'te, Avrupa Uzay Ajansı sinyalin tamamen Samanyolu'ndaki toza atfedilebileceğini duyurdu .

Yeni dedektör tasarımları

Atomik interferometri.

Şu anda yerçekimi dalgası spektrumunun ( 10-7 ila 10 5 Hz) yüksek ucundaki algılamalara odaklanan iki dedektör var : biri İngiltere, Birmingham Üniversitesi ve diğeri INFN Cenova, İtalya'da. Üçüncüsü , Çin Chongqing Üniversitesi'nde geliştirilme aşamasındadır . Birmingham dedektörü, yaklaşık bir metre çapında kapalı bir döngü içinde dolaşan bir mikrodalga ışınının polarizasyon durumundaki değişiklikleri ölçer. İki tanesi üretilmiştir ve şu anda bir genlik spektral yoğunluğu olarak verilen periyodik uzay-zaman suşlarına duyarlı olmaları beklenmektedir . INFN Genoa dedektörü, birkaç santimetre çapında iki bağlı küresel süper iletken harmonik osilatörden oluşan rezonant bir antendir . Osilatörler, neredeyse eşit rezonans frekanslarına (bağlanmadıklarında) sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Sistem şu anda periyodik uzay-zaman suşları bir hassasiyet sahip olması beklenmektedir bir duyarlılık ulaşmak için beklentisi ile, . Chongqing Üniversitesi dedektörü, tahmini tipik parametreler ~ 10 10 Hz (10 GHz) ve h ~ 10 −30 ila 10 −31 ile yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarını algılayacak şekilde planlandı .

Levitated Sensor Detector , potansiyel olarak ilkel kara deliklerden gelen, 10 kHz ile 300 kHz arasındaki bir frekansa sahip yerçekimi dalgaları için önerilen bir dedektördür . Optik bir boşlukta optik olarak yükseltilmiş dielektrik parçacıkları kullanacaktır.

Bir torsiyon çubuğu anten (TOBA) oluşan bir önerilen tasarım iki uzun, burulma pendula olarak asılı ince çubuklar, enine gibi diferansiyel açısı gelgit yerçekimi dalga güçlerinin duyarlı olduğu şekilde.

Madde dalgalarına ( atom interferometreleri ) dayalı dedektörler de önerilmiş ve geliştirilmektedir. 2000'lerin başından beri öneriler var. Atom interferometri, mevcut yer bazlı dedektörlerin düşük frekanslı yerçekimi gürültüsüyle sınırlandırıldığı infrasound bandında (10 mHz - 10 Hz) algılama bant genişliğini genişletmek için önerilmiştir. Matter wave lazer tabanlı İnterferometre Yerçekimi Anteni (MIGA) adlı bir gösterici projesi , LSBB'nin (Rustrel, Fransa) yeraltı ortamında 2018 yılında inşaatına başladı.

Yerçekimi dalgası dedektörlerinin listesi

Frekansın bir fonksiyonu olarak seçilen dedektörler için gürültü eğrileri. Potansiyel astrofiziksel kaynakların karakteristik türü de gösterilmiştir. Tespit edilebilmesi için bir sinyalin karakteristik geriliminin gürültü eğrisinin üzerinde olması gerekir.

Rezonans kütle dedektörleri

Girişimölçerler

İnterferometrik yerçekimi dalgası dedektörleri genellikle kullanılan teknolojiye göre nesiller halinde gruplandırılır. 1990'larda ve 2000'lerde kullanılan interferometrik dedektörler, ilk tespit için gerekli temel teknolojilerin birçoğunun temelini kanıtlıyordu ve genellikle ilk nesil olarak anılıyorlar. 2010'larda, çoğunlukla LIGO ve VIRGO gibi aynı tesislerde çalışan ikinci nesil dedektörler, kriyojenik aynalar ve sıkıştırılmış vakum enjeksiyonu gibi sofistike tekniklerle bu tasarımları geliştirdi. Bu, 2015 yılında Advanced LIGO tarafından bir yerçekimi dalgasının ilk kesin tespitine yol açtı. Üçüncü nesil dedektörler şu anda planlama aşamasındadır ve daha fazla algılama hassasiyeti ve daha geniş bir erişilebilir frekans aralığı elde ederek ikinci nesil üzerinde iyileştirme arayışı içindedir. Tüm bu deneyler, birkaç on yıl boyunca sürekli gelişim altında olan birçok teknolojiyi içerir, bu nedenle nesile göre sınıflandırma zorunlu olarak yalnızca kabadır.

Pulsar zamanlaması

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar