LIGO — lézerinterferométeres gravitációs hullámok obszervatóriuma

LIGO: lézerinterferométeres gravitációs hullámok észlelése, technológia, történet és áttörő felfedezések — Caltech, MIT és NSF szerepe.

A Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) egy nagyszabású fizikai obszervatórium, amely kozmikus gravitációs hullámokat észlel, és amelynek társalapítója Ronald Drever skót fizikus. Először a Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) finanszírozta, és a Caltech és az MIT tervezte, építette és működteti. Az NSF az érzékenység növelése érdekében fejlesztéseket finanszírozott a LIGO számára, amelyek lehetővé tették számukra a gravitációs hullámok első észlelését. A LIGO az NSF által valaha finanszírozott legnagyobb és legambiciózusabb projekt.

A LIGO egy interferométer. Egy lézersugarat lő ki, és azt két lézersugárra osztja. A tükrök visszaverik őket egy fénydetektor felé, és egyesítik őket. Normális esetben a két lézersugárnak ki kellene oltania egymást, így a fény nem jut el a detektorba, de a téridőben a gravitációs hullámok által okozott bármilyen változás megváltoztathatja a lézersugarakat, így azok nem oltják ki teljesen egymást. Ha ez megtörténik, a fénydetektor látja a lézerfény egy részét, amelyből ki tudja számítani a téridő-torzulások méretét.

Alapelvek és műszaki megoldások

A LIGO alapját egy Michelson-interferométer adja, de az érzékenység növelése érdekében mindkét karban Fabry–Pérot rezonátorokat használnak: a fény többször halad át az egyes karokban, így hatékonyan megnő az „út” hossza. További fejlesztések közé tartozik a power-recycling és signal-recycling tükrök alkalmazása, a nagy teljesítményű lézerek, valamint a kiváló minőségű tükrök és hangtalan felfüggesztések.

A detektorok két helyszínen működnek az Egyesült Államokban: Hanfordban (Washington állam) és Livingstonban (Louisiana). Mindkét kar hossza körülbelül 4 km, és a teljes rendszer vákuumcsöveket, valamint többfokozatú szeizmikus elszigetelést használ, hogy a földi zajokat minimalizálja. A lézerek, tükrök és elektronika együttese lehetővé teszi olyan apró hosszváltozások érzékelését, amelyek nagyságrendje a 10^-21-hez hasonló relatív deformációk.

Zajforrások és érzékenység

A LIGO érzékenységét számos tényező korlátozza: szeizmikus zaj (földmozgások), termikus zaj (anyagok belső mozgása), kvantumzaj (fotonok számának fluktuációi, az ún. shot noise és back-action) és a gravitációs közelhatások miatt fellépő Newtoni zaj (helyi tömegeloszlás változásai). A fejlesztések, például a nagyobb lézerteljesítmény, jobb tükrök és új elnyomó technikák (pl. kvantum-squeezing) tovább növelik az érzékenységet.

Tudományos eredmények és jelentőség

A LIGO első közvetlen észlelését 2015. szeptember 14-én rögzítették (a jel elnevezése GW150914) — ezt a felfedezést 2016. február 11-én jelentették be. A jel egy kettős fekete lyuk egyesüléséből származott, és közvetlen bizonyítékot szolgáltatott a fekete lyukak létezésére és a részecskefizikán túlmutató, erős-gravitációs környezetekre vonatkozó általános relativitáselmélet előrejelzéseire.

Az ezt követő években a LIGO (gyakran együtt a Virgo detektorral és más távcsövekkel) több tucat gravitációs hullám-észlelést szolgáltatott, köztük a 2017. augusztus 17-én észlelt GW170817-et, amely egy kettős neutroncsillag-összeolvadás volt. Ennek az eseménynek elektromágneses megfelelője is volt (gamma- és optikai kitörés), így megindult a multi-messengerv (több csatornán alapuló) csillagászat: az esemény segített korlátozni a neutroncsillag-anyag állapotegyenletét és hozzájárult a Hubble-állandó független méréséhez.

Nemzetközi együttműködés és későbbi fejlesztések

A LIGO része egy globális hálózatnak: együttműködik az olasz–francia Virgo detektorral, a japán KAGRA-val és más kisebb projektekhez (például a GEO600). A többdetektoros hálózat fontos a források pontos meghatározásához és az észlelések megerősítéséhez. A LIGO fejlesztései közé tartozik az Advanced LIGO (amely a kezdeti LIGO-t érzékenységben nagyságrenddel felülmúlta), valamint további tervezett/upgradelhető változatok, mint az A+ és a jövőbeli „Voyager” koncepciók. További fontos projekt a LIGO-India, amely bővítené a hálózat lefedettségét.

Adatok és kutatás

A LIGO-idetektorok nyers és feldolgozott adatait intenzív számítási eljárásokkal elemzik: matched filtering, sablongyűjtemények (template banks), bayes-i paraméterbecslés és statisztikai értékelések segítségével azonosítják és jellemezik a jeleket. Az eredményeket rendszeresen közlik a tudományos közösséggel, és egyre nagyobb részben nyilvánosságra hozzák a LIGO Open Science Center (LOSC) útján, így más kutatók is hozzáférhetnek az adatokhoz.

Elismerések

A gravitációs hullámok első közvetlen detektálása és az ehhez vezető technikai és szervezési munkák nemzetközi visszhangot kaptak. 2017-ben a Nobel-díjat a LIGO felépítésében és működtetésében kulcsszerepet játszó személyek közül Rainer Weiss, Barry C. Barish és Kip S. Thorne kapták a gravitációs hullámok detektálásáért járó elismerésként.

A LIGO működése és fejlesztése továbbra is intenzív kutatási terület: a jövőben várhatóan még több eseményt, pontosabb helymeghatározást és részletesebb fizikai információt szolgáltat majd a kompakt objektumok összetételéről, a gravitációs elméletekről és a világegyetem dinamikájáról.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO)?

K: Ki finanszírozta az eredeti LIGO projektet?

K: Hogyan növelték a LIGO érzékenységét a fejlesztések?

K: Mi az interferométer?

K: Hogyan befolyásolják a téridő változásai a lézersugarakat egy interferométerben?

K: Mi volt a LIGO eddigi legambiciózusabb NSF által finanszírozott projektje?

Keresés betűvel