LIVINGSTON, La. - Rundt halvannen kilometer fra en så stor bygning at du kan se den fra verdensrommet, bremser hver bil på veien til en gjennomsøking. Drivere vet å ta fartsgrensen på 16 km / t veldig alvorlig: Det er fordi bygningen huser en massiv detektor som jakter på himmelsk vibrasjoner i minste skala som noen gang er forsøkt. Ikke overraskende er det følsomt for alle jordiske vibrasjoner rundt det, fra rumblingen av en forbipasserende bil til naturkatastrofer på den andre siden av kloden.
Som et resultat må forskere som jobber på en av LIGO-detektorene (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gå ekstraordinært for å jakte og fjerne alle potensielle kilder til støy - bremse trafikken rundt detektoren, overvåke hver eneste lille skjelving i bakken, til og med å henge utstyret fra et firedoblet pendelsystem som minimerer vibrasjoner - alt i forsøk på å skape det mest "lydløse" vibrasjonspunktet på jorden.
"Alt handler om støyjakt," sa Janeen Romie, leder for detektor-ingeniørgruppe ved LIGO-detektoren i Louisiana.
Hvorfor er LIGO-fysikere så besatt av å eliminere støy og skape det mest vibrasjonsfrie stedet på planeten? For å forstå det, må du vite hva gravitasjonsbølger er og hvordan LIGO oppdager dem i utgangspunktet. I henhold til generell relativitet er rom og tid en del av det samme kontinuumet, som Einstein kalte romtid. Og i romtid kan raskt akselererende massive gjenstander produsere gravitasjonsbølger, som ser ut som krusningene som stråler utover når en rullestein slippes ned på overflaten av et tjern. Disse bølgene avslører strekk og sammentrekning av stoffet i selve kosmos.
Hvordan måler du endringer i romtiden, når noen måleenhet vil oppleve de samme endringene? Den geniale løsningen er det som er kjent som et interferometer. Den er avhengig av at gravitasjonsbølger strekker seg rom-tid i en retning, mens de trekker seg sammen vinkelrett. Tenk på en bøye på vannet: Når en bølge går, bobber den opp og ned. I tilfelle av en gravitasjonsbølge som stråler over Jorden, svinger alt aldri så lett frem og tilbake, i stedet for opp og ned.
LIGOs detektor består av en laserlyskilde, en strålesplitter, flere speil og en lysdetektor. Lyset forlater laseren, blir delt opp i to vinkelrett stråler av en strålesplitter, og beveger seg deretter like store avstander nedover interferometerets armer til to speil, der lyset reflekteres tilbake nedover armene. Begge bjelkene treffer deretter på detektoren, som er plassert overfor et av speilene. Når en gravitasjonsbølge går gjennom interferometeret, gjør den en av armene litt lengre, og den andre litt kortere, fordi den strekker plass langs en retning mens den komprimeres langs en annen. Denne uendelig små endringsregistreringen i lysmønsteret som treffer lyset detektor. LIGOs følsomhetsnivå tilsvarer "å måle avstanden til nærmeste stjerne (noen 4,2 lysår) til en nøyaktighet som er mindre enn bredden på et menneskehår," ifølge nettstedet LIGO-samarbeidet.
For å kunne oppdage den hårets bredde bølge, forskere går i ekstreme lengder for å eliminere potensielle forstyrrelser i dette finstemte oppsettet, sa Carl Blair, en postdoktorisk forsker ved LIGO som studerer optomekanikk, eller samspillet mellom lys og mekaniske systemer.
Til å begynne med er de 2,5 kilometer lange (4 kilometer) armene i et av verdens mest perfekte vakuum, noe som betyr at det er nesten molekylfritt, så ingenting kan forstyrre bjelkens vei. Detektorene er også omgitt av alle slags enheter (seismometre, magnetometre, mikrofoner og gammastråledetektorer, for å nevne noen) som måler forstyrrelser i dataene og fjerner dem.
Alt som kan forstyrre eller urettmessig tolkes som et gravitasjonsbølgesignal, må også jages og elimineres, sa Blair. Det inkluderer ufullkommenheter i selve detektoren - det som er kjent som støy - eller ikke-astrofysiske forstyrrelser som blir plukket opp av instrumentet - det som kalles svikt. Fysikere må til og med redegjøre for vibrasjonene i atomene som utgjør detektorens speil og de tilfeldige svingningene i strømmen i elektronikken. I større skala kan glitches være alt fra et passerende godstog til en tørst korps.
Og feil kan være veldig vanskelig å spikre. Da Arnaud Pele meldte seg til detektoringeniørteamet på LIGO, fikk han i oppgave å finne ut hvor en spesielt irriterende forstyrrelse kom fra: instrumentene som målte bevegelsen til bakken rundt gravitasjonsbølgedetektorene, registrerte en konstant pigg, og ingen visste hvorfor. Etter flere måneder med sløvete hunder, fant han den skyldige: en upretensiøs stein som lå mellom bakken og noen mekaniske fjærer under et ventilasjonssystem. På grunn av fjellet kunne fjærene ikke forhindre at respiratorens vibrasjon dukket opp i detektoren, noe som forårsaker mysteriesignalet. "Det er en veldig morsom del av jobben min, å gjøre disse detektivene," sa Pele. "Det meste av tiden er det enkle løsninger." I jakten på uendelig små vibrasjoner fra universets fjernvidde, kan det virkelige arbeidet være veldig nede på jorden.
Det viktigste er kanskje at det er tre detektorer: Foruten den i Louisiana, er det en i Hanford, Washington, og en tredje i Italia: "Hvis noe er ekte, må det se likt ut i alle detektorene," sa LIGO-samarbeidsmedlem Salvatore Vitale, adjunkt i fysikk ved MIT. Hvis det er et godstog eller en stein som ligger under en fjær, vil den bare vises i en av de tre detektorene.
Med alle disse verktøyene og noen veldig sofistikerte algoritmer, er forskere i stand til å tallfeste sannsynligheten for at et signal faktisk er en gravitasjonsbølge. De kan til og med beregne den falske alarmen for en gitt gjenkjenning, eller muligheten for at det eksakte signalet vil vises ved et uhell. En av hendelsene fra tidligere i sommer hadde for eksempel en falsk alarmrate på mindre enn en gang på 200 000 år, noe som gjorde det til en ekstremt overbevisende kandidat. Men vi må vente til den endelige dommen er ute.
Rapporteringen for denne artikkelen ble delvis støttet av et tilskudd fra National Science Foundation.
