LIGO tilbage online, klar til flere opdagelser

I dag (30. november) videnskabsmænd genstartede LIGOs tvillingedetektorer, Laser Interferometer gravitationsbølgeobservatoriet, efter at have foretaget flere forbedringer af systemet. I løbet af det sidste år, de har lavet forbedringer til LIGOs lasere, elektronik, og optik, der har øget observatoriets følsomhed med 10 til 25 procent. Detektorerne, videnskabsmænd håber, vil nu være i stand til at tune ind på gravitationsbølger – og de ekstreme begivenheder, som de opstår fra – der udspringer længere ude i universet.

Den 14. sept. 2015, LIGOs detektorer lavede den allerførste direkte detektion af gravitationsbølger, kun to dage efter, at forskerne genstartede observatoriet som Advanced LIGO - en opgraderet version af LIGOs to store interferometre, en beliggende i Hanford, Washington, og de andre 3, 000 kilometer væk i Livingston, Lousiana. Efter at have analyseret signalet, videnskabsmænd fastslog, at det faktisk var en gravitationsbølge, som opstod ved sammensmeltningen af ​​to massive sorte huller 1,3 milliarder lysår væk.

Tre måneder senere, den 26. december, 2015, detektorerne opfangede endnu et signal, som videnskabsmænd afkodede som en anden gravitationsbølge, bølgende ud fra endnu en sort hul-fusion, lidt længere ude i universet, 1,4 milliarder lysår væk.

Nu med LIGOs seneste opgraderinger, medlemmer af LIGO Scientific Collaboration håber at detektere hyppigere signaler om gravitationsbølger, opstået fra kolliderende sorte huller og andre ekstreme kosmiske fænomener. MIT News talte med Peter Fritschel, associeret direktør for LIGO ved MIT, og LIGOs chefdetektorforsker, om LIGOs nye syn.

Spørgsmål:Hvilken slags ændringer er der foretaget på detektorerne, siden de gik offline?

A:Der var forskellige slags aktiviteter på de to observatorier. Med detektoren i Livingston, Louisiana, vi lavede meget arbejde inde i vakuumsystemet, udskiftning eller tilføjelse af nye komponenter. Som et eksempel, hver detektor indeholder fire testmasser, der reagerer på en passerende gravitationsbølge. Disse testmasser er monteret i komplekse ophængssystemer, der isolerer dem fra det lokale miljø. Tidligere test havde vist, at to af vibrationstilstandene af disse suspensioner kunne svinge i en grad, der ville forhindre detektoren i at fungere med dens bedste følsomhed. Så, vi har designet og installeret nogle tunede, passive dæmpere for at reducere oscillationsamplituden af ​​disse tilstande. Dette vil hjælpe Livingston-detektoren med at fungere ved sin højeste følsomhed i en større del af datakørselsvarigheden.

På Hanford, Washington, detektor, det meste af indsatsen var rettet mod at øge laserkraften lagret i interferometeret. Under den første observationskørsel, vi havde omkring 100 kilowatt laserkraft i hver lange arm af interferometeret. Siden da har vi arbejdet på at øge dette med en faktor to, at opnå 200 kilowatt effekt i hver arm. Dette kan være ret svært, fordi der er termiske effekter og optisk-mekaniske interaktioner, der opstår, når effekten øges, og nogle af disse kan producere ustabiliteter, der skal tæmmes. Det lykkedes faktisk at løse den slags problemer og kunne betjene detektoren med 200 kilowatt i armene. Imidlertid, der var andre problemer, der kostede følsomhed, og vi havde ikke tid til at løse disse, så vi arbejder nu med 20 til 30 procent højere effekt, end vi havde i den første observationskørsel. Denne beskedne effektforøgelse giver en lille, men mærkbar stigning i følsomheden over for gravitationsbølgefrekvenser højere end omkring 100 hertz.

Vi har også samlet en masse vigtig information, som vil blive brugt til at planlægge den næste detektor idriftsættelsesperiode, som vil begynde ved udgangen af ​​denne seks måneders observationsperiode. Vi har stadig en masse udfordrende arbejde foran os for at nå vores endelige designfølsomhed.

Q:Hvor følsom er LIGO med disse nye forbedringer?

A:Den metrik, vi oftest bruger, er følsomheden over for gravitationsbølger produceret af sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner, fordi vi nemt kan beregne, hvad vi skal se ud fra et sådant system - men bemærk, at vi endnu ikke har opdaget gravitationsbølger fra en neutronstjerne-neutronstjernefusion. Livingston-detektoren er nu følsom nok til at detektere en fusion fra så langt væk som 200 millioner parsecs (660 millioner lysår). Dette er omkring 25 procent længere, end det kunne "se" i den første observationskørsel. For Hanford-detektoren er det tilsvarende følsomhedsområde stort set på niveau med, hvad det var under den første kørsel og er omkring 15 procent lavere end disse tal.

I det første observationsforløb opdagede vi selvfølgelig sammensmeltningen af ​​to sorte huller, ikke neutronstjerner. Følsomhedssammenligningen for sorte huls fusioner er ikke desto mindre den samme:Sammenlignet med sidste års observation, Livingston-detektoren er omkring 25 procent mere følsom, og Hanford-detektoren er omtrent den samme. Men selv små forbedringer i følsomhed kan hjælpe, siden rumfanget, der undersøges, og dermed hastigheden af ​​gravitationsbølgedetekteringer, vokser som terningen af ​​disse afstande.

Q:Hvad håber du at "høre" og opdage, nu hvor LIGO er online igen?

A:Vi forventer bestemt at opdage flere sorte hul-fusioner, hvilket stadig er et meget spændende perspektiv. Husk på, at vi i første omgang opdagede to sådanne binære fusioner med sorte huler og så stærke beviser for en tredje fusion. Med den beskedne forbedring af følsomheden og planen om at indsamle flere data, end vi gjorde før, vi bør føje til vores viden om sorte huls befolkning i universet.

Vi ville også elske at opdage gravitationsbølger fra sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Vi ved, at disse systemer eksisterer, men vi ved ikke, hvor udbredte de er, så vi kan ikke være sikre på, hvor følsomme vi skal bruge for at begynde at se dem. Binære neutronstjernefusioner er interessante, fordi de (blandt andet) menes at være producenter og distributører af de tunge grundstoffer, såsom ædle metaller, der findes i vores galakse.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.