Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων ενδέχεται σύντομα να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοσή τους, χάρη σε μια νέα πρόοδο στην οργάνωση με επικεφαλής τον φυσικό Jonathan Richardson του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Riverside. Σε μια δημοσίευση στο περιοδικό Optica, ο Richardson και οι συνάδελφοί του περιγράφουν το FROSTI, ένα πρωτότυπο πλήρους κλίμακας που ελέγχει με επιτυχία τα μέτωπα κύματος λέιζερ σε εξαιρετικά υψηλή ισχύ μέσα στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ, ή LIGO.
Οι παρατηρήσεις στα βαρυτικά κύματα
Το LIGO είναι ένα παρατηρητήριο που μετρά βαρυτικά κύματα -- μικροσκοπικές κυματώσεις στον χωροχρόνο που δημιουργούνται από τεράστια επιταχυνόμενα αντικείμενα, όπως οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες. Ήταν η πρώτη εγκατάσταση που ανίχνευσε άμεσα αυτά τα κύματα, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Χρησιμοποιώντας δύο συμβολόμετρα λέιζερ μήκους 4 χλμ. που βρίσκονται στην Ουάσινγκτον και τη Λουιζιάνα, το LIGO ανιχνεύει απίστευτα μικρές διαταραχές, δίνοντας στους επιστήμονες έναν νέο τρόπο να μελετούν τις μαύρες τρύπες, την κοσμολογία και την ύλη υπό ακραίες συνθήκες.
Το LIGO βασίζεται σε καθρέφτες που είναι από τα πιο προσεκτικά κατασκευασμένα εξαρτήματα στη σύγχρονη επιστήμη. Κάθε κάτοπτρο έχει διάμετρο 34 cm, πάχος 20 cm και ζυγίζει περίπου 40 kg. Για την ανίχνευση παραμορφώσεων στον χωροχρόνο που είναι μικρότερες από το 1/1.000 της διαμέτρου ενός πρωτονίου, αυτά τα κάτοπτρα πρέπει να διατηρούνται σχεδόν τέλεια ακίνητα. Ακόμα και μικροσκοπικές δονήσεις ή θόρυβος περιβάλλοντος μπορούν να πνίξουν τα αμυδρά σήματα βαρυτικών κυμάτων που προσπαθεί να ανιχνεύσει το LIGO.
«Στην καρδιά της καινοτομίας μας βρίσκεται μια νέα προσαρμοστική οπτική συσκευή σχεδιασμένη να αναδιαμορφώνει με ακρίβεια τις επιφάνειες των κύριων κατόπτρων του LIGO υπό ισχύ λέιζερ που υπερβαίνει το 1 μεγαβάτ -- περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο φορές ισχυρότερη από έναν τυπικό δείκτη λέιζερ και σχεδόν πέντε φορές την ισχύ που χρησιμοποιεί το LIGO σήμερα», δήλωσε ο Richardson, επίκουρος καθηγητής φυσικής και αστρονομίας. «Αυτή η τεχνολογία ανοίγει έναν νέο δρόμο για το μέλλον της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων. Είναι ένα κρίσιμο βήμα προς την ενεργοποίηση της επόμενης γενιάς ανιχνευτών όπως ο Cosmic Explorer, οι οποίοι θα βλέπουν βαθύτερα στο σύμπαν από ποτέ».
FROSTI: ακριβής θερμικός έλεγχος για τα κάτοπτρα LIGO
Το FROSTI, συντομογραφία του FROnt Surface Type Irradiator, είναι ένα σύστημα ακριβούς ελέγχου μετώπου κύματος σχεδιασμένο να ακυρώνει τις παραμορφώσεις που παράγονται όταν έντονο φως λέιζερ θερμαίνει τα οπτικά του LIGO. Τα υπάρχοντα συστήματα μπορούν να κάνουν μόνο σχετικά χονδρικές διορθώσεις, αλλά το FROSTI χρησιμοποιεί μια πιο προηγμένη μέθοδο θερμικής προβολής για να εφαρμόσει λεπτές, υψηλότερης τάξης προσαρμογές στις επιφάνειες του καθρέφτη. Αυτό το επίπεδο ελέγχου είναι απαραίτητο για τις πιο απαιτητικές απαιτήσεις απόδοσης των μελλοντικών ανιχνευτών.
Παρά το παγωμένο όνομά του, το FROSTI λειτουργεί θερμαίνοντας την επιφάνεια του καθρέφτη με έναν πολύ ελεγχόμενο τρόπο που την επαναφέρει στο ιδανικό οπτικό της σχήμα. Χρησιμοποιώντας θερμική ακτινοβολία, το σύστημα προβάλλει ένα προσεκτικά προσαρμοσμένο μοτίβο θερμότητας στον καθρέφτη. Αυτό εξομαλύνει τις οπτικές παραμορφώσεις, αποφεύγοντας παράλληλα τον επιπλέον θόρυβο που θα μπορούσε να εκληφθεί εσφαλμένα ως πραγματικά σήματα βαρυτικών κυμάτων.
Γιατί η καλύτερη οπτική έχει σημασία για την αστρονομία βαρυτικών κυμάτων
Τα βαρυτικά κύματα ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά από το LIGO το 2015, σηματοδοτώντας την αρχή μιας νέας εποχής στην αστρονομία. Για να αξιοποιηθεί πλήρως αυτός ο νέος τρόπος παρατήρησης του σύμπαντος, ωστόσο, οι επερχόμενοι ανιχνευτές πρέπει να δουν πιο μακρινά γεγονότα και να τα μετρήσουν με μεγαλύτερη σαφήνεια.
"Αυτό σημαίνει ότι ωθούνται τα όρια τόσο στην ισχύ του λέιζερ όσο και στην ακρίβεια σε κβαντικό επίπεδο", δήλωσε ο Richardson. «Το πρόβλημα είναι ότι η αυξανόμενη ισχύς του λέιζερ τείνει να καταστρέφει τις ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις στις οποίες βασιζόμαστε για να βελτιώσουμε την καθαρότητα του σήματος. Η νέα μας τεχνολογία λύνει αυτή την ένταση διασφαλίζοντας ότι τα οπτικά παραμένουν ανόθευτα, ακόμη και σε επίπεδα ισχύος μεγαβάτ».
Με αυτήν την προσέγγιση, η νέα τεχνολογία αναμένεται να επεκτείνει το παρατηρήσιμο σύμπαν βαρυτικών κυμάτων κατά 10 φορές. Αυτή η αύξηση της εμβέλειας θα μπορούσε να επιτρέψει στους αστρονόμους να ανιχνεύσουν εκατομμύρια συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και αστέρων νετρονίων σε όλη την κοσμική ιστορία και να τις μελετήσουν με πρωτοφανή λεπτομέρεια.
www.worldenergynews.gr
