LIGO og Jomfruen genoptager søgen efter krusninger i rum og tid

National Science Foundations LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) skal genoptage sin jagt på gravitationsbølger - krusninger i rum og tid - den 1. april, efter at have modtaget en række opgraderinger til sine lasere, spejle, og andre komponenter. LIGO - som består af tvillingedetektorer placeret i Washington og Louisiana - har nu en kombineret stigning i følsomheden på omkring 40 procent i forhold til dens sidste kørsel, hvilket betyder, at den kan overvåge et endnu større rumfang end før for kraftfulde, bølgeskabende begivenheder, såsom kollisioner af sorte huller.

Jomfruen vil deltage i søgningen, den europæisk-baserede gravitationsbølgedetektor, placeret ved European Gravitational Observatory (EGO) i Italien, som næsten har fordoblet sin følsomhed siden sidste kørsel og starter også op 1. april.

"Til denne tredje observationskørsel, vi opnåede væsentligt større forbedringer af detektorernes følsomhed, end vi gjorde ved sidste kørsel, siger Peter Fritschel, LIGO's chefdetektorforsker ved MIT. "Og med LIGO og Jomfruen, der observerer sammen det næste år, vi vil helt sikkert opdage mange flere gravitationsbølger fra de typer kilder, vi har set indtil videre. Vi glæder os også til at se nye begivenheder, såsom en sammensmeltning af et sort hul og en neutronstjerne."

I 2015 efter at LIGO begyndte at observere for første gang i et opgraderet program kaldet Advanced LIGO, det skrev snart historie ved at lave den første direkte detektering af gravitationsbølger. Krusningerne rejste til Jorden fra et par kolliderende sorte huller placeret 1,3 milliarder lysår væk. Til denne opdagelse, tre af LIGOs nøglespillere - Caltechs Barry C. Barish, Ronald og Maxine Linde professor i fysik, emeritus, og Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik, emeritus, sammen med MIT's Rainer Weiss, professor i fysik, emeritus - blev tildelt 2017 Nobelprisen i fysik.

Siden da, LIGO-Virgo-detektornetværket har afsløret ni yderligere sorte hul-fusioner og et eksplosivt sammenbrud af to neutronstjerner. den begivenhed, døbt GW170817, genererede ikke kun gravitationsbølger, men lys, som blev observeret af snesevis af teleskoper i rummet og på jorden.

"Med vores tre detektorer nu i drift med en væsentligt forbedret følsomhed, det globale LIGO-Virgo detektornetværk vil tillade mere præcis triangulering af kilderne til gravitationsbølger, " siger Jo van den Brand fra Nikhef (det hollandske nationale institut for subatomisk fysik) og VU University Amsterdam, som er talsmand for Jomfru-samarbejdet. "Dette vil være et vigtigt skridt i retning af vores søgen efter multi-messenger astronomi."

Nu, med starten af ​​det næste fælles LIGO-Virgo-løb, observatorierne er klar til at opdage et endnu større antal sorte huls fusioner og andre ekstreme begivenheder, såsom yderligere neutron-neutronstjernesammenlægninger eller en endnu ikke-set sort hul-neutronstjernefusion. En af de målinger, holdet bruger til at måle stigninger i følsomhed, er at beregne, hvor langt ude de kan detektere neutron-neutronstjernefusioner. I næste løb, LIGO vil være i stand til at se disse begivenheder i et gennemsnit på 550 millioner lysår væk, eller mere end 190 millioner lysår længere ude end før.

En nøgle til at opnå denne følsomhed involverer lasere. Hver LIGO-installation består af to lange arme, der danner et L-formet interferometer. Laserstråler skydes fra hjørnet af "L" og afkastes fra spejle, før de bevæger sig tilbage ned ad armene og kombineres igen. Når gravitationsbølger passerer forbi, de strækker sig og klemmer selve rummet, laver umærkeligt små ændringer af den afstand, laserstrålerne rejser og påvirker derved, hvordan de rekombinerer. Til dette næste løb, lasereffekten er blevet fordoblet for mere præcist at måle disse afstandsændringer, derved øges detektorernes følsomhed over for gravitationsbølger.

Andre opgraderinger blev lavet til LIGOs spejle begge steder, med i alt fem ud af otte spejle, der er skiftet ud til bedre ydende versioner.

"Vi var nødt til at bryde fibrene, der holder spejlene og meget forsigtigt tage optikken ud og erstatte dem, " siger Calum Torrie, LIGOs mekanisk-optiske ingeniørchef hos Caltech. "Det var et enormt ingeniørarbejde."

Denne næste kørsel inkluderer også opgraderinger designet til at reducere niveauer af kvantestøj. Kvantestøj opstår på grund af tilfældige fluktuationer af fotoner, hvilket kan føre til usikkerhed i målingerne og kan maskere svage gravitationsbølgesignaler. Ved at anvende en teknik kaldet "klemning, " oprindeligt udviklet til gravitationsbølgedetektorer ved Australian National University, og modnet og rutinemæssigt brugt siden 2010 på GEO600-detektoren, forskere kan flytte usikkerheden i fotonerne rundt, gør deres amplituder mindre sikre og deres faser, eller timing, mere sikker. Timingen af ​​fotoner er det, der er afgørende for LIGOs evne til at detektere gravitationsbølger.

Torrie siger, at LIGO-teamet har brugt måneder på at idriftsætte alle disse nye systemer, at sikre, at alt er justeret og fungerer korrekt. "En af de ting, der er tilfredsstillende for os ingeniører, er at vide, at alle vores opgraderinger betyder, at LIGO nu kan se længere ud i rummet for at finde de mest ekstreme begivenheder i vores univers."