Ливингстон, Ла. - Примерно в полутора милях от здания, такого большого, что вы можете видеть его из космоса, каждая машина на дороге замедляется до ползучести. Водители знают, что очень серьезно относятся к ограничению скорости 10 миль в час (16 км / ч): это потому, что в здании находится массивный детектор, который отслеживает небесные колебания в наименьшем масштабе из когда-либо предпринятых. Неудивительно, что он чувствителен ко всем земным колебаниям вокруг, от грохота проезжающей машины до стихийных бедствий на другой стороне земного шара.
В результате ученые, работающие на одном из детекторов LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), должны идти на необычайные расстояния, чтобы выследить и удалить все потенциальные источники шума - замедляя движение вокруг детектора, отслеживая каждый крошечный тремор в заземление, даже подвеска оборудования от системы с четырьмя маятниками, которая минимизирует вибрации - все в попытке создать самое «тихое» вибрационное пятно на Земле.
«Все дело в поиске шума», - сказала Джанин Роми, руководитель группы по разработке детекторов на детекторе LIGO в Луизиане.
Почему физики LIGO так одержимы устранением шума и созданием наиболее свободного от вибрации места на планете? Чтобы понять это, вам нужно знать, что такое гравитационные волны и как LIGO обнаруживает их в первую очередь. Согласно общей теории относительности, пространство и время являются частью того же континуума, который Эйнштейн назвал пространством-временем. И в пространстве-времени быстро ускоряющиеся массивные объекты могут создавать гравитационные волны, которые выглядят как рябь, которая излучается наружу, когда галька падает на поверхность пруда. Эти волны показывают растяжение и сжатие ткани самого космоса.
Как вы измеряете изменения в самом пространстве-времени, когда любое измерительное устройство испытывает те же изменения? Гениальное решение - это то, что известно как интерферометр. Он основан на том факте, что гравитационные волны растягивают пространство-время вдоль одного направления, сжимая его вдоль перпендикулярного направления. Подумайте о буе на воде: когда волна проходит, она качается вверх и вниз. В случае гравитационной волны, исходящей через Землю, все колеблется очень немного назад и вперед, а не вверх и вниз.
Детектор LIGO состоит из лазерного источника света, светоделителя, нескольких зеркал и детектора света. Свет покидает лазер, разделяется на два перпендикулярных луча с помощью светоделителя, а затем перемещается на равные расстояния вниз по плечам интерферометра к двум зеркалам, где свет отражается обратно вниз по плечам. Затем оба луча попадают на детектор, который расположен напротив одного из отражающих зеркал. Когда гравитационная волна проходит через интерферометр, она делает одно плечо немного длиннее, а другое немного короче, потому что растягивает пространство вдоль одного направления, сжимая его вдоль другого. Это бесконечно малое изменение регистрирует рисунок света, попадающего на свет детектор. Уровень чувствительности LIGO эквивалентен «измерению расстояния до ближайшей звезды (около 4,2 световых года) с точностью, меньшей ширины человеческого волоса», согласно веб-сайту LIGO.
Карл Блэр, научный сотрудник LIGO Карл Блэр, изучающий оптомеханику или взаимодействие света с механическими системами, считает, что для того, чтобы обнаружить волну ширины волос, ученые делают все возможное, чтобы исключить любые возможные помехи для этой тонко настроенной установки.
Начнем с того, что плечи длиной 2,5 мили (4 километра) находятся в одном из самых совершенных пылесосов в мире, то есть практически не содержат молекул, поэтому ничто не может помешать траектории луча. Детекторы также окружены всевозможными устройствами (сейсмометры, магнитометры, микрофоны и детекторы гамма-излучения, и многие другие), которые измеряют помехи в данных и устраняют их.
По словам Блэра, все, что может помешать или быть неверно истолковано как сигнал гравитационной волны, также должно быть выявлено и устранено. Это включает в себя недостатки внутри самого детектора - так называемый шум - или неастрофизические помехи, которые обнаруживаются инструментом - так называемые глюки. Физики должны даже учитывать колебания атомов, составляющих зеркало детектора, и случайные колебания тока в электронике. В более широком масштабе, глюки могут быть чем угодно, от проезжающего грузового поезда до жаждущего ворона.
И глюки могут быть действительно сложно прибить. Когда Арно Пеле присоединился к команде разработчиков детекторов в LIGO, ему было поручено выяснить, откуда исходит особенно неприятное возмущение: приборы, которые измеряли движение земли вокруг детекторов гравитационных волн, регистрировали постоянный всплеск, и никто знал почему. После нескольких месяцев упрямого убоя он нашел виновника: непритязательный камень, зажатый между землей и несколькими механическими пружинами под вентиляционной системой. Из-за камня пружины не могли предотвратить вибрацию вентилятора в детекторе, вызывая загадочный сигнал. «Это действительно забавная часть моей работы - заниматься детективами», - сказал Пеле. «В большинстве случаев это простые решения». В поисках бесконечно малых колебаний из дальних уголков вселенной настоящая работа может быть очень приземленной до Земли.
Самое главное, возможно, есть три детектора: кроме одного в Луизиане, один в Хэнфорде, штат Вашингтон, и третий в Италии: «Если что-то реально, оно должно выглядеть одинаково на всех детекторах», - сказал сотрудник коллаборации LIGO. Сальваторе Витале, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте. Если это грузовой поезд или камень под пружиной, он будет отображаться только в одном из трех детекторов.
Со всеми этими инструментами и некоторыми очень сложными алгоритмами ученые могут количественно оценить вероятность того, что сигнал действительно является гравитационной волной. Они могут даже рассчитать частоту ложных тревог для данного обнаружения или вероятность того, что точный сигнал появится случайно. Например, одно из событий, имевших место ранее этим летом, показало ложную тревогу менее одного раза в 200 000 лет, что делает его чрезвычайно убедительным кандидатом. Но нам придется подождать до вынесения окончательного вердикта.
Репортаж для этой статьи был частично поддержан грантом Национального научного фонда.
