Na een onderbreking van drie jaar hebben wetenschappers in de VS zojuist detectoren aangezet die in staat zijn zwaartekrachtgolven meten-kleine rimpelingen in ruimte zelf die door het universum reizen.

In tegenstelling tot lichtgolven zijn zwaartekrachtgolven bijna ongehinderd door de sterrenstelsels, sterren, gas en stof die het universum vullen. Dit betekent dat door zwaartekrachtgolven te meten, astrofysici zoals ik kan rechtstreeks in het hart kijken van enkele van de meest spectaculaire fenomenen in het universum.

Sinds 2020 is het Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory, beter bekend als LINK- heeft inactief gezeten terwijl het een aantal opwindende upgrades onderging. Deze verbeteringen zullen verhoogt de gevoeligheid aanzienlijk van LIGO en zou de faciliteit in staat moeten stellen verder verwijderde objecten te observeren die kleinere rimpelingen produceren ruimte tijd.

Door meer van de gebeurtenissen te detecteren die zwaartekrachtgolven veroorzaken, zullen astronomen meer mogelijkheden hebben om ook het licht te observeren dat door diezelfde gebeurtenissen wordt geproduceerd. Een evenement zien via meerdere informatiekanalen, heet een aanpak multi-messenger astronomie, stelt astronomen zeldzame en begeerde kansen om te leren over natuurkunde die ver buiten het bereik van laboratoriumtests ligt.

Rimpelingen in ruimtetijd

Think Einsteins algemene relativiteitstheorie, massa en energie vervormen de vorm van ruimte en tijd. De buiging van ruimtetijd bepaalt hoe objecten ten opzichte van elkaar bewegen - wat mensen ervaren als zwaartekracht.

Zwaartekrachtsgolven ontstaan ​​wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten of neutronensterren versmelten met elkaar, waardoor plotselinge, grote veranderingen in de ruimte ontstaan. Het proces van kromtrekken en buigen in de ruimte stuurt rimpelingen door het universum als een golf over een stille vijver. Deze golven verplaatsen zich vanuit een storing in alle richtingen, waarbij ze de ruimte minutieus buigen en de afstand tussen objecten op hun weg enigszins veranderen.

Hoewel de astronomische gebeurtenissen die zwaartekrachtgolven produceren, betrekking hebben op enkele van de meest massieve objecten in het universum, is het uitrekken en samentrekken van de ruimte oneindig klein. Een sterke zwaartekrachtgolf die door de Melkweg gaat, kan de diameter van het hele sterrenstelsel slechts één meter veranderen.

De eerste waarnemingen van zwaartekrachtgolven

Hoewel voor het eerst voorspeld door Einstein in 1916, hadden wetenschappers uit die tijd weinig hoop op het meten van de kleine afstandsveranderingen die worden gepostuleerd door de theorie van zwaartekrachtgolven.

Rond het jaar 2000 voltooiden wetenschappers van Caltech, het Massachusetts Institute of Technology en andere universiteiten over de hele wereld de constructie van wat in wezen de meest precieze liniaal is die ooit is gebouwd:LINK.

LIGO bestaat uit twee afzonderlijke observatoria, met een in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana. Elk observatorium heeft de vorm van een gigantische L met twee, 2.5 mijl lange (vier kilometer lange) armen die zich uitstrekken vanuit het midden van de faciliteit in een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar.

Om zwaartekrachtgolven te meten, schijnen onderzoekers een laser vanuit het midden van de faciliteit naar de basis van de L. Daar wordt de laser gesplitst zodat een straal langs elke arm gaat, weerkaatst door een spiegel en terugkeert naar de basis. Als een zwaartekrachtgolf door de armen gaat terwijl de laser schijnt, zullen de twee stralen op steeds iets verschillende tijdstippen terugkeren naar het midden. Door dit verschil te meten, kunnen natuurkundigen vaststellen dat er een zwaartekrachtgolf door de faciliteit is gegaan.

LIGO begon te werken in de vroege jaren 2000, maar het was niet gevoelig genoeg om zwaartekrachtgolven te detecteren. Dus sloot het LIGO-team in 2010 de faciliteit tijdelijk af om te kunnen optreden upgrades om de gevoeligheid te verhogen. De geüpgradede versie van LIGO is gestart het verzamelen van gegevens in 2015 en vrijwel onmiddellijk gedetecteerde zwaartekrachtgolven geproduceerd door de samensmelting van twee zwarte gaten.

Sinds 2015 is LIGO voltooid drie observatierondes. De eerste, run O1, duurde ongeveer vier maanden; de tweede, O2, ongeveer negen maanden; en de derde, O3, liep 11 maanden voordat de COVID-19-pandemie de faciliteiten dwong te sluiten. Vanaf run O2 heeft LIGO gezamenlijk geobserveerd met een Italiaans observatorium genaamd Maagd.

Tussen elke run verbeterden wetenschappers de fysieke componenten van de detectoren en methoden voor gegevensanalyse. Tegen het einde van run O3 in maart 2020 hadden onderzoekers in de LIGO en Virgo-samenwerking gedetecteerd ongeveer 90 zwaartekrachtgolven door het samensmelten van zwarte gaten en neutronensterren.

De observatoria hebben nog steeds hun maximale ontwerpgevoeligheid nog niet bereikt. Dus in 2020 zijn beide observatoria gesloten voor upgrades nogmaals.

Enkele upgrades maken

Wetenschappers hebben eraan gewerkt veel technologische verbeteringen.

Een bijzonder veelbelovende upgrade betrof het toevoegen van een 1,000 meter lange optische holte verbeteren van een techniek genaamd knijpen. Door te knijpen kunnen wetenschappers detectorruis verminderen met behulp van de kwantumeigenschappen van licht. Met deze upgrade zou het LIGO-team veel zwakkere zwaartekrachtgolven moeten kunnen detecteren dan voorheen.

Mijn teamgenoten en ik zijn datawetenschappers in de LIGO-samenwerking en we hebben gewerkt aan een aantal verschillende upgrades naar software die wordt gebruikt om LIGO-gegevens te verwerken en de algoritmen die herkennen tekenen van zwaartekrachtgolven in die gegevens. Deze algoritmen werken door te zoeken naar patronen die overeenkomen theoretische modellen van miljoenen van mogelijke fusies van zwarte gaten en neutronensterren. Het verbeterde algoritme zou in staat moeten zijn om de vage tekenen van zwaartekrachtgolven gemakkelijker te onderscheiden van achtergrondruis in de gegevens dan de vorige versies van de algoritmen.

Een hi-def-tijdperk van de astronomie

Begin mei 2023 begon LIGO met een korte testrun, een zogenaamde engineering run, om er zeker van te zijn dat alles werkte. Op 18 mei detecteerde LIGO waarschijnlijk zwaartekrachtgolven geproduceerd uit een neutronenster die versmelt tot een zwart gat.

LIGO's 20 maanden durende observatie run 04 officieel begon op 24 mei en het zal later worden vergezeld door Virgo en een nieuw Japans observatorium - de Kamioka Gravitational Wave Detector, of KAGRA.

Hoewel er veel wetenschappelijke doelen zijn voor deze run, is er een bijzondere focus op het detecteren en lokaliseren van zwaartekrachtgolven in realtime. Als het team een ​​zwaartekrachtgolfgebeurtenis kan identificeren, kan achterhalen waar de golven vandaan komen en andere astronomen snel op deze ontdekkingen kunnen attenderen, kunnen astronomen andere telescopen die zichtbaar licht, radiogolven of andere soorten gegevens verzamelen, op de bron richten. van de zwaartekrachtgolf. Verzamelen van meerdere kanalen met informatie over een enkel evenement—multi-messenger astrofysica- is als het toevoegen van kleur en geluid aan een stomme zwart-witfilm en kan een veel dieper inzicht geven in astrofysische verschijnselen.

Astronomen hebben slechts één gebeurtenis waargenomen in zowel zwaartekrachtgolven als zichtbaar licht tot nu toe - de fusie van twee neutronensterren gezien in 2017. Maar van deze enkele gebeurtenis konden natuurkundigen de uitdijing van het heelal en bevestig de oorsprong van sommige van de de meest energetische gebeurtenissen in het universum bekend als gammastraaluitbarstingen.

Met run O4 hebben astronomen toegang tot de meest gevoelige gravitatiegolfobservatoria in de geschiedenis en hopelijk zullen ze meer gegevens verzamelen dan ooit tevoren. Mijn collega's en ik hopen dat de komende maanden zullen resulteren in één - of misschien wel veel - multi-messenger-waarnemingen die de grenzen van de moderne astrofysica zullen verleggen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Image Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulatiegegevens, d'Ascoli et al. 2018

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/