Klausoties debesīs: gravitācijas viļņu atklāšana pierādīja, ka Einšteinam ir taisnība

sadarbībā ar VĀRDS

Notikums bija nozīmīgs — un paziņojums, kas par to paziņoja pasaulei, izskanēja pienācīgi saviļņotā tonī, vienlaikus saudzējot un precīzāk: Dāmas un kungi, mēs... esam atklājuši...gravitācijas viļņus! Mēs to izdarījām!

Ar šiem vārdiem Deivids Reice, Lāzerinterferometra gravitācijas viļņu observatorijas (LIGO) izpilddirektors, atklāja atklājumu telpā, kurā bija daudz žurnālistu Nacionālajā preses klubā Vašingtonā, DC, 2016. gada 11. februārī. (Faktiskā atklāšana notika 2015. gada 14. septembrī.)

Atklājums sniedza pirmos pierādījumus, kas apstiprina Alberta Einšteina pārliecību par gravitācijas viļņu esamību, kas bija daļa no viņa vispārējās relativitātes teorijas. Jauna zinātnisko pētījumu joma, ko sauc par gravitācijas viļņu astronomiju, veicināja šo ievērojamo LIGO sasniegumu, izmantojot lāzera ierīci, ko sauc par interferometru, kas ietver augstas precizitātes sensorus, darbības pastiprinātājus un citus produktus no Analog Devices, Inc. (ADI).

Gravitācijas viļņa avots bija divu melno caurumu sadursme, kas atrodas 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes, radot gravitācijas viļņu jaudu, kas 10 reizes pārsniedza visu Visuma zvaigžņu kopējo izstaroto enerģiju.

Viņi atrada Einšteina [gravitācijas] viļņus 100 gadus vēlāk, un tas notika tieši šeit, un lūk, mašīna, kas to izdarīja, brīnās Deivids Kress, ADI tehniskā mārketinga direktors un MIT absolvents. Nav nekā labāka — un es zinu, ka tajā ir iekļautas mūsu daļas.

Klausoties Visumu

LIGO sastāv no divām observatorijām un iekārtām — vienu Hanfordā, Vašingtonā un otru Livingstonā, Luiziānā —, abas sāka darboties 2002. gadā. Nacionālais zinātnes fonds (NSF) finansēja šo liela mēroga fizikas projektu, un šīs iekārtas toreiz tika izveidotas. izveidoja, uzbūvēja un pārvalda Caltech un MIT. Dvīņu observatorijas, kas ir vieni no lielākajiem un vērienīgākajiem līdz šim NSF finansētajiem projektiem, tika izstrādāti, lai novērotu astrofiziskos gravitācijas viļņus, kurus patiesībā nevar redzēt. Vienīgais veids, kā noteikt gravitācijas viļņu esamību, ir klausīties debesīs.

Katra LIGO iekārta ievieto lāzeru īpaši augstā vakuumā, sadala lāzeru divās daļās un sūta katru staru uz leju pa vienu no divām 2,5 jūdžu svirām, kas novietotas perpendikulāri viena otrai. Pēc tam lāzera starus atstaro atpakaļ no spoguļiem, kas novietoti roku galos.

Interferometri ir izmeklēšanas instrumenti, ko regulāri izmanto zinātnē un inženierzinātnēs. Tie darbojas, apvienojot divus vai vairākus gaismas avotus, lai izveidotu traucējumu modeli, ko var izmērīt un analizēt. LIGO interferometri ir paredzēti, lai noteiktu pārāk mazus mērījumus, lai tos iegūtu ar citām metodēm.

Kad gravitācijas vilnis iet garām, tas maina laiku apkārtnē, izraisot nelielu roku kustību attiecībā pret otru, apmēram 1/1000 no protona platuma. Tas maina atgrieztās gaismas relatīvās fāzes, tiklīdz ierīces saņem datus, atbrīvojot gaismu optiskajam sensoram, kā rezultātā rodas izmērāms signāls vai čivināšana.

Domājot par tradicionālo observatoriju, jūs iegūstat garīgu priekšstatu par kādu, kurš lūkojas caur skatu meklētāju un skatās kosmosā caur teleskopu, kas paredzēts gaismas uztveršanai, saka Ričs Abots, LIGO vadošais analogo shēmu dizainers. Tas, ko LIGO dara un padara to unikālu, ir tas, ka tas mēra gravitācijas viļņus, kas neparādās kā gaisma. Lai raksturotu LIGO interferometra ārkārtējo jutīgumu, viņš to salīdzina ar svēršanas skalu: Ja jūs varētu noņemt visas smiltis no visām mūsu pludmalēm uz Zemes un sakraut tās uz svēršanas skalas, LIGO detektors ir pietiekami jutīgs, lai jūs varētu noteikt izņemšanu. mazāk par smilšu graudu.

Augsta veiktspēja: LIGO un ADI tehnoloģija

LIGO izmanto daudzas ADI integrētās shēmas tehnoloģijas. LIGO interferometri darbojas, paredzot un kompensējot visus iespējamos apkārtējās vides trokšņa un vibrācijas avotus. Tas nozīmē, ka interferometra izmantotajai lāzera izvadei jāpaliek īpaši stabilai ar ļoti nelielām frekvences un amplitūdas izmaiņām.

Šī iemesla dēļ LIGO komandai bija nepieciešama atgriezeniskās saites sistēma, lai adekvāti izmērītu gaismas jaudu, vienlaikus kontrolējot amplitūdu. Tam bija nepieciešams īpaši zema trokšņa līmeņa pastiprinātājs ar augstu veiktspēju. LIGO komanda izvēlējās ADI AD797 darbības pastiprinātāju (vai operācijas pastiprinātāju) tā ļoti zemā trokšņa un zemu kropļojumu iespējām. AD797 darbības pastiprinātājs tiek izmantots arī infrasarkano staru un sonāra attēlveidošanas lietojumprogrammās, kā arī citiem lietojumiem. LIGO tehnoloģijā tiek izmantoti arī citi ADI produkti:

• ADI augstas precizitātes temperatūras sensors AD590 stabilizē lāzera frekvenci un mēra vidējo temperatūru stikla vakuuma kamerā, kurā atrodas lāzers.
• Lāzera jauda var ātri palielināties līdz kilovatiem roku rezonanses dobumos, izkropļojot mērījumus. LIGO izmanto ADA4700 augstsprieguma darbības pastiprinātāju, lai darbinātu elektrostatiskos izpildmehānismus, lai spoguļi būtu saskaņoti.
• Solenoīdi darbina LIGO spoguļa piekares sistēmu. Šajā sistēmā AD736 RMS mikroshēma mēra strāvas padevi solenoīdiem, nodrošinot jebkuru nepieciešamo un precīzu slīpumu, slīpumu un leņķi.

Lāzera amplitūdas stabilizēšana ir viens no galvenajiem faktoriem, lai veiksmīgi atpazītu gravitācijas viļņus, jo svārstības var parādīties kā signāli, atzīmē Abbott. Tāpēc mums bija vajadzīgs tik mērķtiecīgs risinājums, kas nav saistīts ar dārza šķirni.

Pierādīt, ka Einšteins ir pareizs, izmantojot sniegumu

Pirmais reāla gravitācijas viļņa signāla attēls sākotnēji tika atklāts LIGO Livingstonā; pēc tam tikai 7 milisekundes vēlāk tas nonāca Hanfordas vietā. Atklājums notika pirmajā nedēļā, kad tika izmantoti jauni uzlaboti LIGO lāzerdetektori, kas ietvēra ADI integrētās shēmas tehnoloģijas. LIGO komanda bija sajūsmā, atklājot gravitācijas viļņus tik drīz pēc jaunās ierīces uzstādīšanas, un signāls bija tik skaļš, ka to varēja nepārprotami.

Aizkave starp gravitācijas viļņa signāla atklāšanu un tā publisko atklāšanu atspoguļoja komandas nepieciešamību izmeklēt un apstiprināt, ka tas patiešām ir īsts. Vairākas nedēļas LIGO zinātnieki veica eksperimentus abās observatorijās, lai izslēgtu iespēju, ka signālus izraisījusi instrumentāla anomālija vai programmatūras kļūme. Galu galā zinātnieki pabeidza tā saukto korelācijas un savienojuma analīzi, kas secināja, ka signāls varēja rasties tikai dziļā kosmosā. Kopš tā laika visi LIGO darbinieki bija zvērējuši ievērot noslēpumu līdz publiskam paziņojumam.

Vēlāk 2015. gada Ziemassvētkos tika atklāts otrs gravitācijas vilnis. Atkal zinātnieki rūpīgi izpētīja un pēc signāla kosmiskās izcelsmes apstiprināšanas paziņoja par tā noteikšanu 2016. gada 15. jūnijā.

Kad Einšteins ierosināja gravitācijas viļņu un melno caurumu esamību, viņš uzskatīja, ka tos faktiski nav iespējams noskaidrot. Fakts, ka ADI sensori un citas ierīces veicināja interferometru precizitāti, kas galu galā paveica šo varoņdarbu, joprojām ir liels lepnums tiem, kas iesaistīti tehnoloģiju izstrādē.

Analog Devices jau vairāk nekā 40 gadus atbalsta precīzas lietojumprogrammas Zemes novērošanai, kosmosa sakaru pozicionēšanai, nesējraķetēm un kosmosa izpētei, saka Bobs Barfīlds, ADI kosmosa un aizsardzības direktors. Kad jūs domājat par to, kas atrodas kosmosā un kas pārsniedz to, ko mēs šobrīd zinām, tas ir prātam neaptverami. Dažas no lietām, kas tiek atklātas — ir vienkārši aizraujoši domāt, ka esam uz tā robežas.

Lai uzzinātu vairāk un skatītu video par LIGO projektu, apmeklējiet vietni www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

paslēpties