Naprawienie problemu w jednym z najbardziej wyrafinowanych obserwatoriów naukowych na świecie może wydawać się wyzwaniem wymagającym wielomilionowej modernizacji lub nowej, rewolucyjnej technologii.
Ale dla naukowców pracujących nad Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO), który nasłuchuje zmarszczek w czasoprzestrzeni generowanych przez kosmiczne zderzenia, takie jak łączenie się czarne dziuryrozwiązanie łagodnego, ale uporczywego wyzwania inżynieryjnego okazuje się tak proste, jak ogólnodostępny aparat.
Łącząc dostępne na rynku kamery termowizyjne z modelami komputerowymi, zespół kierowany przez Jonathana Richardsona z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside opracował technikę korygującą drobne, wywołane ciepłem zniekształcenia w zwierciadłach obserwatorium – nieuchwytna wada, która według naukowców obecnie ogranicza to, jak daleko w przestrzeń kosmiczną może patrzeć obiekt.
„Nie wymaga to opracowania żadnej nowej technologii, co jest prawie niespotykane w przypadku rozwiązania problemu z instrumentacją LIGO” – stwierdził Richardson w oświadczenie.
Richardson i jego zespół szacują, że po włączeniu tego rozwiązania do nadchodzącej modernizacji LIGO, zasięg obserwatorium zwiększy się o około 33 miliony lat świetlnych.
Zysk ten może brzmieć jak kropla w morzu w porównaniu z niewyobrażalnie ogromną skalą Wszechświata, ale ponieważ przestrzeń rozszerza się w trzech wymiarach, nawet niewielkie zwiększenie zasięgu detektora otwiera wykładniczo większe okno kosmiczne. Możliwość spojrzenia dalej w głąb Wszechświata pozwoli astronomom „usłyszeć” o wiele więcej kosmicznych zmarszczek, co z kolei zwiększy potencjał odkrywania najbardziej gwałtownych zderzeń we Wszechświecie, które leżą obecnie poza zasięgiem LIGO.
LIGO wykrywa te kosmiczne zmarszczki, tzw fale grawitacyjnewykorzystując bliźniacze obiekty w kształcie litery L w USA – w stanach Waszyngton i Luizjana. Wewnątrz każdego detektora wiązka lasera strzela w dwa tunele o długości 2,5 mili (4 km), odbijając się od nieskazitelnych luster na każdym końcu. Kiedy przechodzi fala grawitacyjna Ziemiasubtelnie rozciąga jeden tunel i ściska drugi. To mikroskopijne przesunięcie zmienia w niewielkim stopniu wiązki lasera, wytwarzając maleńkie migotanie światła, które ostrzega naukowców o odległym kosmicznym wydarzeniu.
Ponieważ te sygnały kosmiczne są niewyobrażalnie małe, zachowanie każdego pojedynczego fotonu ma kluczowe znaczenie. Aby to osiągnąć, LIGO opiera się na lustrach wypolerowany, aby odbijał światło 99,9999% ton padającego na nie światła lasera, co plasuje je wśród najczystszych elementów optycznych, jakie kiedykolwiek zbudowano.
Jednak nawet te niemal idealne lustra mają jedną nieuniknioną wadę. Lustra nadal pochłaniają niewielką część intensywnego światła lasera. Energia ta zamienia się w ciepło, wypaczając powierzchnię zwierciadła o zaledwie kilka nanometrów, co jest wystarczające, aby zniekształcić wiązkę lasera i zmniejszyć ogólną czułość obserwatorium.
Fizycy już wiedzieli, że mogą przeciwdziałać tym zniekształceniom, przykładając ukierunkowane ciepło do tylnej części lusterek. Trudną częścią był pomiar zniekształceń na tyle dokładny, aby ciepło korygujące mogło zostać zastosowane z dużą precyzją.
Nowa technika wykorzystuje obrazy termowizyjne w podczerwieni i istniejące modele komputerowe do rekonstrukcji mapy zniekształceń na powierzchni lustra.
„Można to porównać do zrobienia zdjęcia silnika samochodu w podczerwieni” – stwierdził Richardson w oświadczeniu. „Inżynier może spojrzeć na przebieg temperatury na zewnątrz i wywnioskować, co dzieje się wewnątrz silnika. Robimy to samo z lusterkami LIGO”.
Ta technika to nie tylko rozwiązanie dla LIGO. Oczekuje się również, że stanie się częścią podstawowego projektu Kosmiczny odkrywcaproponowane amerykańskie obserwatorium fal grawitacyjnych nowej generacji, które ma powstać w połowie lat 30. XX wieku.
Dzięki ramionom o długości 25 mil (40 km) – 10 razy większym niż ramiona LIGO – Cosmic Explorer jest już zaprojektowany do wykrywania zdarzeń fal grawitacyjnych daleko poza zasięgiem dzisiejszych obserwatoriów. Ta nowa technika tylko zwiększy jej ostateczny zasięg.
„Celem nowej generacji detektorów fal grawitacyjnych jest osiągnięcie około 10-krotności czułości dzisiejszych instrumentów” – stwierdził Richardson w oświadczeniu. „Jedną z kluczowych przeszkód w osiągnięciu tego celu jest zmniejszenie podstawowego szumu mechaniki kwantowej, który ogranicza precyzję pomiarów”.
Technikę opisano w papier opublikowano 16 lipca w czasopiśmie Classical and Quantum Gravity.
