Vakuumteknologi gør gravitationsbølger detekterbare

Du har sandsynligvis ikke bemærket gravitationsbølgen, der forplantede sig gennem Jorden tidligt om morgenen den 4. januar, 2017, men takket være en sofistikeret brug af vakuumteknologi, et par ekstremt følsomme laserinterferometre, den ene i staten Washington og den anden i Louisiana, opdagede den svage rumlen fra to kolliderende sorte huller cirka 3 milliarder lysår væk.

I en præsentation under AVS 64th International Symposium and Exhibition, afholdes 31. oktober-nov. 2, 2017, i Tampa, Florida, astrofysikere Rai Weiss (hvem, sammen med to andre, blev tildelt 2017 Nobelprisen i fysik) og Michael Zucker fra Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), drives af Caltech og Massachusetts Institute of Technology, vil beskrive, hvordan LIGO -forskere og ingeniører designede og konstruerede LIGOs geniale, ultrahøjt vakuumsystem. Systemet er en integreret del af det, der gør det muligt at identificere gravitationsbølger, minut forvrængninger i rummet og tiden, der formerer sig med lysets hastighed.

"Gravitationsbølgerne genereret af accelerationen af ​​et par sorte huller bevæger sig udad som bølger i en dam, "Sagde Weiss." De forvrængninger af rummet, de fremkalder, bliver svagere omvendt proportionale med deres afstand væk fra kilden, så bølger, der rejser milliarder af lysår til jorden, kan kun registreres, hvis man kan måle en afstand på 10^-18 meter —1/10, 000. bredden af ​​en proton - hvilket er den lille mængde, vores interferometerspejle bevæges af en forbigående bølge. "

For at udføre den herkuliske opgave, Weiss forklarede, spejlene er ophængt i begge ender af LIGO-interferometerets to arme på 4 kilometer. Spejlene danner et optisk hulrum, hvor lys mange gange kan hoppe frem og tilbage langs armene. En laserstråle sendes gennem en splitter ved krydset mellem armene, adskiller lyset i to stråler. De optiske hulrum reflekterer strålerne tilbage til splitteren, hvor de er slået sammen til en enkelt enhed, som derefter rammer en fotodetektor.

"Hvis de delte stråler har tilbagelagt den samme afstand i begge optiske hulrum, de to stråler vil forstyrre destruktivt, ' det er, annullere hinanden ved fotodetektoren, " sagde Zucker. "Men hvis armlængderne ændrer sig, så den ene stråle tilbringer mere tid i sit hulrum, mens den anden stråle bruger mindre tid i den anden - da de vil en lille smule, når en gravitationsbølge passerer gennem systemet - bølger lyset annulleres ikke, og noget lys registreres på fotodetektoren. "

Så, hvordan spiller vakuumteknologi en rolle i at få dette til at ske? Weiss sagde, at molekyler af enhver gas, der er til stede i interferometerarmene, kan sprede laserlyset eller producere en dominerende støj, der ville maskere små ændringer i strålerne på grund af gravitationsbølger. Drift i vakuum eliminerer disse problemer, samt den ekstra fare for termisk genererede gasmolekyler, der forårsager udsving i hulrummets længde.

Den skræmmende opgave for LIGO -teamet, Zucker sagde, var at designe og konstruere en effektiv, dog økonomisk, system, der kunne opnå det ekstreme vakuum, der er nødvendigt for interferometeret:100 nanopascal, en billioner af en atmosfære og svarer til næsten fravær af tryk i lav jordbane.

I deres præsentation, Weiss og Zucker vil fokusere på den grundlæggende fysik og ingeniørkundskab, der er nødvendig for at bygge og drive verdens næststørste ultrarene vakuumsystem, møde udfordringer såsom 40 dages konstant "pumpdown" for at opnå det optimale driftstryk, 30 dages opvarmning af rørene (armene) for at drive restgasser ud, og 24/7 drift og overvågning af ionpumper og flydende nitrogen kryopumper, der holder LIGO interferometeret fri for forurenende stoffer.