مهندسی بی‌نهایت: لایگو؛ رصدخانه‌ تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی

ساخت وبلاگ
چکیده : لایگو(به انگلیسی:LIGO) یا رصدخانه ی تداخل سنج لیزری امواج گرانشی &... با عنوان : مهندسی بی‌نهایت: لایگو؛ رصدخانه‌ تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی بخوانید :

لایگو(به انگلیسی:LIGO) یا رصدخانه ی تداخل سنج   لیزری     امواج    گرانشی  (LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory) ابزار و آزمایشگاهی نجومی است که آزمایش هایفیزیک درمقیاس وسیع در آنجا انجام می شود. همچنین، برای تشخیصامواج گرانشیکیهانی و ایجاد مشاهدات موج گرانشی از آن بهره برداری می شود.

لایگو متشکل از دوتداخل سنج (Interferometers)است که به فاصله ای مشخص در دو نقطه از ایالات متحده ی آمریکا قرار گرفته اند: یکی در هانفوردِ واشنگتن و دیگری در لیوینگستونِ لوییزیانا. این دو برای تشخیص و شناسایی امواج گرانشی هماهنگ هستند. لایگو مجموعه امکانات ملی برای تحقیقات درباره ی موج گرانشی است که فرصت های گسترده ای برای جامعه ی علمی برای مشارکت در توسعه و مشاهده و تجزیه وتحلیل داده ها فراهم می کند.

ابتکار و ایده ی خلق لایگو به بنیاد ملی علوم (NSF) تعلق داشت و آن رامؤسسه ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) ومؤسسه ی فناوری ماساچوست(MIT) طراحی کرده و ساخته اند. آن ها از سال ۲۰۰۲ تا سال ۲۰۱۰ اطلاعات را جمع آوری کردند؛ اما هیچ نوع امواج گرانشی را شناسایی نکردند.

مقدمه

در طول تاریخ، انسان به طور جدی به اشکال مختلف نور برای کشف و نحوه ی تکامل جهان توجه کرده است.امروزه، در لبه ی مرز جدیدی در نجوم قرار داریم: نجوم موج گرانشی.امواج گرانشی اطلاعاتی درباره ی حرکت اجسام در جهان در خود نگه می دارند.امواج گرانشی اجازه می دهند تا بیشتر از قبل به گذشته و تاریخ جهان دست پیدا کنیم.ازآنجایی که امواج گرانشی در سایر نقاط جهان جذب یا منعکس نمی شوند، قادر خواهیم بود آن ها را در شکل هایی ببینیم که در آن ایجاد شده اند.علاوه براین، انسان به طور مؤثر قادر خواهد بود موانع بین زمین و منبع موج گرانشی را ازبین ببرد.مهم تر از همه، امواج گرانشی توانایی ناشناخته را دارند.هربار انسان <<چشم های>> جدیدی رو به جهان باز کرده، چیز غیرمنتظره ای کشف کرده که انقلابی به پا کرده است.

لایگو بزرگ ترین و بلندپروازانه ترین پروژه ای است که NSF منابع مالی آن را تأمین می کند

شروع آشکارسازی پیشرفته لایگو در سال ۲۰۰۸ و با پشتیبانی بنیاد ملی علوم (NSF) بود. بااین حال، با کمک های مهمشورای امکانات علمی و فنی بریتانیا وانجمن مکس پلانکآلمان وشورای پژوهشی استرالیا (آشکارسازهای بهبودیافته) در سال ۲۰۱۵ شروع به کار کرد. تشخیص امواج گرانشی را همکاری علمی لایگو و ویرگو (Virgo) (تداخل سنج واقع در پیزای ایتالیا) با مشارکت بین المللی دانشمندان چندین دانشگاه و مؤسسه ی تحقیقاتی در سال ۲۰۱۶ گزارش کردند. دانشمندان حاضر در این پروژه ۱۰۰۰ دانشمند در سراسر جهان و ۴۴۰هزار کاربر فعال (انیشتینHome@ - پروژه ای داوطلبانه) را شامل می شدند. همه ی این ها راLSC سازمان دهی می کند و کار آن ها تجزیه وتحلیل داده در زمینه ی نجوم موج گرانشی است. یکی از دستاوردهای این کاربران کشف ۵۵پالساررادیویی تا سال ۲۰۱۶ است. پالسارستاره ای نوترونی یا کوتوله سفید است که پرتو تابش الکترومغناطیسی را منتشر می کند.

لایگو بزرگ ترین و بلندپروازانه ترین پروژه ای است که NSF منابع مالی آن را تأمین می کند. در سال ۲۰۱۷،جایزه ی نوبل فیزیکبهRainer WeissوKip ThorneوBarry C. Barishبرای مشارکت در لایگو و مشاهده ی امواج گرانشی اهدا شد.

در مارس۲۰۱۸، لایگو شش مأموریت امواج گرانشی را انجام داده که اولین آن ها پنج جفت سیاه چاله بودند.ششمین رویداد شناسایی شدهدر ۱۷اوت ۲۰۱۷، اولین تشخیص برخورد دو ستاره ی نوترونی بود که هم زمان سیگنال های نوری را تولید کرد که به وسیله ی تلسکوپ های معمولی تشخیص دادنی بودند. تشخیص و رصد امواج گرانشی درواقع اثبات و ادامه ی بخشی از نظریه نسبیت آلبرت انیشتین است.

لایگو چیست؟

لایگو بزرگ ترین رصدکننده موج گرانشی جهان و شگفتی و شاهکار   مهندسی   است.لایگوبا دو تلسکوپ بزرگ لیزری از خواص فیزیکی نور و خودِ فضا برای شناسایی و درک مبانی امواج گرانشی استفاده می کند. لایگو و سایر آشکارسازهای آن برخلاف هر رصدخانه ی دیگر روی زمین است.از کسی بخواهید رصدخانه ای را برای شما به تصویر بکشد. احتمالا چیزی شبیه این عکس خواهد بود: یک گنبد سفید درخشان روی کوهی که تلسکوپی بالای آن قرار گرفته است.رصدخانه/Observatory

لایگو بیش از رصدخانه ای ساده است.گرچه مأموریت آن تشخیص امواج گرانشی از برخی از فرایندهای خشن و پرانرژی جهان است، داده های جمع آوری شده ممکن است اثرهای گسترده ای در بسیاری از زمینه های فیزیک مانندگرانش، نسبیت، اخترفیزیک، کیهان شناسی، فیزیک ذرات و فیزیک هسته ای بگذارد. درکنار همه ی این ها لایگو به طور جداگانه سبب توسعه ی هریک از اجزای کاربردی در نجوم و رصد و فناوری های آن ها شده است.به عنوان رصدخانه ای موج گرانشی، لایگو هیچ شباهتی به رصدخانه های سنّتی ندارد. می توانید تصویر هوایی رصدخانه ی موج گرانشی لایگو را ابتدای مقاله مشاهده کنید.

موج های گرانشی؛ مفهوم و نحوه ی ایجاد آن ها

بسیاری از مردم با داستان سیبِ نیوتنآشنا هستند. نیوتن درحالی که روزی در زیر درختی نشسته بود، متوجه افتادن سیب روی زمین می شود. همچنین، متوجه این موضوع می شود که ماه در آسمان است؛ به همین دلیل فکر می کند نیرویی باعث سقوط سیب شده است.این نیرو گرانش است.توده ها نیروی گرانشی را احساس می کنند؛ زیرا هر توده ای در جهان میدان گرانشی خود را دارد که به گرانش تمام توده های دیگر در جهان می افزاید.با توجه به نظریه ی گرانش نیوتن، وقتی موقعیت جرم تغییر می کند یا موقعیتی را تغییر می دهد، تمام میدان های گرانشی در سراسر جهان، بلافاصله تغییر می یابند و نیروهای گرانشی حاصل آن ها فورا تغییر می کنند.

براساس نظریه نسبیت عام انیشتین هیچ اطلاعاتی نمی تواند سریع تر از سرعت نور حرکت کند

نظریه ی نسبیت عام عمومی انیشتین، پذیرفته شده ترین و پذیرفتنی ترین توصیف گرانش ادعا می کند هیچ اطلاعاتی نمی تواند سریع تر از سرعت نور حرکت کند؛ ازجمله اطلاعاتی درباره ی موقعیت جرم در جهان که ازطریق میدان گرانشی ارتباط برقرار می کنند.نسبیت عام می گوید تغییر در میدان گرانشی با سرعت نور ازجهان عبور می کند.دقیقا این تغییرات در میدان گرانشی است که امواج گرانشی را به وجود می آورند.

درفیزیک،موج گرانشیموجیاست که آن را میدان گرانشیتولید می کند.وجود این نوع امواج را آلبرت اینشتیندر سال ۱۹۱۶ ازطریق نظریه ی نسبیت عامبه طور نظری پیش بینی کرد و صد سال بعد و در سال ۲۰۱۶، به کمک تأسیساتلایگوبه طور تجربی مشاهده شد. باتوجه به اهمیت امواج گرانشی در سال ۲۰۱۷ سه دانشمند، یعنی راینرویس وبری سی. بریش وکیپ اس. تورنبه طورمشترکجایزه ی نوبل فیزیک ۲۰۱۷را به خاطر تلاش هایشان در زمینه ی آشکارساز لایگو و مشاهده ی امواج گرانشی دریافت کردند.

در ویدئو بالا می توانید لحظه ی برخورد دو جرم در فضا و ایجاد موج گرانشی را مشاهده کنید.

موج گرانشی به طور نظری انرژیتابش گرانشیرا منتقل می کند. منابع موج های گرانشی قابل آشکارسازی شامل سیستم هایستاره ی دوتاییاست که یکی از اعضای آنکوتوله سفید و ستاره ی نوترونییاسیاه چالهاست. وجود موج گرانشی یکی از عوارضناوردایی لورنتز(برای درک بیشتر کوتیشن پایین را بخوانید)در نسبیت عام است. همچنین، این امر باعث می شود سرعت برهم کنش های گرانشی محدود باشد. بااین حال، درفیزیک کلاسیکاین گونه نیست. ردیابی امواج گرانشی درواقع دو نظریه ی مهم فیزیک و کیهان شناسی را ثابت کرده است: یکی فرضیه ی نسبیت عامانیشتینکه حدود صد سال پیش (سال ۱۹۱۶) و دیگری نظریه یتورم کیهانیکه در دههٔ هشتاد میلادی مطرح شد. امواج گرانشی چین های ریزی در تاروپود هستی هستند؛ مانند امواجی کهاقیانوس را درمی نوردند. این امواج گرانشی <<ازلی>> انرژی را در کیهان جابه جا می کنند. این امواج از ۳۸۰هزار سال پس ازمهبانگدر پس زمینه ی کیهان در ترنم بوده اند؛ اما در طول این زمان طولانی، ازپلاسماییبسیار داغ به امواجی بسیار سرد (سه درجه ی بالایصفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۰ درجه ی سانتی گراد) و ضعیف شده اند. این امواج کاملا همگون نیستند و مثلنوردر هم کنشی با الکترون ها و اتم هاپلاریزه(قطبی) می شوند.

ناوردایی لورنتز:در دانشفیزیک، نامتقارن لورنتز(لورنتس) ازهندریک لورنتزبرگرفته شده و عبارت است از ویژگی طبیعت که می گوید نتایج آزمایش ها مستقل از جهت گیری و سرعت آزمایشگاه در میان فضا هستند.لورنتز در تلاش برای بهبودتبدیلات گالیلهتبدیل جدیدی یافت که با آن معادلات ماکسولدر سیستم های مختصات مختلفی تغییر نمی کرد که نسبت به هم حرکت دارند و بدین ترتیب اساسنسبیت خاصبنا نهاده شد. این تبدیل اکنونتبدیلات لورنتسنامیده می شود.یکی از مفاهیم مرتبط با تقارن لورنتز،هموردایی لورنتزاست که بنابرنظریه نسبیت خاص از ویژگی های اصلی فضازماناست. هموردایی لورنتز دو معنی متمایز، اما مرتبط دارد:

۱. کمیت فیزیکیرا درصورتیهموردایی لورنتزمی خوانند که در نمایشگروه لورنتزتبدیل شود. بنابرنظریه ی نمایشگروه لورنتز، این کمیت ها ازنرده ای ها،چارتانسور ها،چاربردار هاواسپینور هاساخته می شوند. به طور خاص، کمیت نرده ای (مانندبازه ی فضازمان) در تبدیلات لورنتز بدون تغییر می ماند و به آنناوردایی لورنتزگفته می شود؛ یعنی در نمایشی بدیهیتبدیل می شوند.

۲. معادله را درصورتی هموردایی لورنتزمی گویند که بتوان آن را برحسب کمیت های هموردایی لورنتز نوشت. ویژگی مهم این معادلات آن است که اگر در چهارچوب لَختبرقرار باشند، در هر چهارچوب لخت دیگری نیز برقرار خواهند بود. این ویژگی از این امر پیروی می کند که اگر تمام مؤلفه های یکتانسوردر چهارچوبی ناپدید شوند، در هر چهارچوب دیگری نیز ناپدید خواهند شد. بنابراصل نسبیت، این ویژگی ضروری است؛ یعنی همه ی قوانین غیرگرانشیباید برای آزمایش های یکسانی نتایج یکسانی پیش بینی کنند که در رویداد فضازمان در دوچهارچوب مرجع لَختمختلف رخ می دهند.

موج گرانشی به زبان ساده

در فیزیک مدرن،زمان بُعد چهارم جهان محسوب می شود. انیشتین دریافت نمی توان دو مفهوم فضا و زمان را ازهم جدا کرد و هندسه ی جهان چهاربُعدی است (سه بُعد فضا و یک بُعد زمان). او در تئوری نسبیت این هندسه رافضازماننامید. گرانش یا جاذبه در این تئوری انحنایی در فضازمان است. این انحنا را جرم ایجاد می کند. هرچه جرم جسمی بیشتر باشد، انحنای بزرگ تری در فضازمان ایجاد می کند. این انحنا درواقع موقعیت جسم را مشخص می کند. وقتی جسمی حرکت می کند، انحنای ایجادشده در فضازمان هم حرکت می کند.

برای اینکه این موضوع روشن شود، صفحه ی بسیار نرم لاستیکی منعطفی را درنظر بگیرید. اگر توپبسکتبال روی آن قرار بدهید، جرم زیاد آن باعث فرورفتگی در صفحه ی لاستیکی خواهد شد. حال کمی این توپ را بغلتانید تا از نقطه ی A به نقطه ی B برود. انحنای موجود در صفحه ی لاستیکی نیز همراه با توپ جابه جا خواهد شد و از A به B خواهد رفت. واضح است که نقطه ی A دیگر انحنا نخواهد داشت و بالا خواهد آمد. این حرکت از پایین به بالای صفحه باعث ایجاد نوعی موج می شود. در ساختار فضازمان، این موج موج گرانشی نامیده می شود.

در فیزیک مدرن،زمان بُعد چهارم جهان محسوب می شود. انیشتین دریافت نمی توان دو مفهوم فضا و زمان را ازهم جدا کرد و هندسه ی جهان چهاربُعدی است

رویدادهای عظیم کیهانی مثل انفجارابرنواخترهاکه انرژی های عظیم باسرعت نورحرکت می کنند، موج گرانشی تولید می کنند. وقتی آب را درحوضبه هم بزنید، موج های کوچکی ایجاد می شود. این موج ها را می توان به مثابه موج گرانشی درنظرگرفت. برای روشن ترشدن موضوع انواع امواج گرانشی را می توانید در زیر بخوانید:

امواج گرانشی مداوم:این امواج را سیستم هایی تولید می کند که فرکانس نسبتا ثابت و مشخص دارند.نمونه هایی از این ها ستاره های باینری (دوتایی) یا سیستم های سیاه چاله ای هستند که به یکدیگر متصل می شوند یا تک ستاره ای که با کوه بزرگ یا نوعی بی نظمی به سرعت در اطراف محورش می چرخد.انتظار می رود این منابع امواج گرانشی ضعیف، اما نسبتا طولانی داشته باشند؛ زیرا آن ها در طول دوره های طولانی تکامل یافته اند.صدایی که این امواج گرانشی تولید می کنند، یک تُنِ مستمر است؛ زیرا فرکانس موج گرانشی آن ها تقریبا ثابت است.

امواج گرانشی مداوم

امواج گرانشی الهام بخش:این امواج در طول مرحله ی پایانی سیستم های دودویی تولید می شوند که دو جرم به هم متصل می شوند.این سیستم ها معمولا می تواند دو ستاره ی نوترونی یا دو سیاه چاله یا یک ستاره ی نوترونی یا یک سیاه چاله باشد که مدار آن ها به نقطه ای نزدیک می شود که دو توده در حال جمع شدن هستند.همان طورکه دو توده در اطراف یکدیگر چرخان می شوند، فاصله ی اثرهایشان به هم کاهش می یابد و سرعتشان افزایش می یابد.این باعث می شود فرکانس امواج گرانشی تا زمان هماهنگ شدن افزایش یابد.صدای تولید شده ی این امواج گرانشی افزایشی است. ابتدا افزایش سرعت و سپس افزایش صدا تا وقتی که هماهنگ شوند.

امواج گرانشی الهام بخش

امواج گرانشی انفجاری یا پیاپی:امواج گرانشی انفجاری از منابع ناشناخته یا غیرمنتظره ی کوتاه مدت تولید می شوند. آن ها امواج گرانشی هستند که در شب به سر می برند.هربار انسان ها با مجموعه ای جدید از چشم ها یا سیستم های رصدخانه ای به جهان نگاه می کند (مثلا با استفاده از تلسکوپ برای دیدن نور مرئی یا امواج رادیویی یا آشکارسازهای اشعه ی گاما برای دیدن اشعه های گاما)، پدیده های غیرمنتظره و انقلابی مشاهده می کنند. درک اینکه چه چیزیدر امواج گرانشی انفجاری وجود دارد، می تواند غیرمنتظره باشد.البتهفرضیه هایی نیز وجود دارند که می گویند منشأ این امواج می تواند برخی از سیستم هایی مانند انفجار ابرنواختر یا اشعه ی گاما باشند. بااین حال، جزئیات دقیق این سیستم ها برای پیش بینی و تجزیه وتحلیل شکل این امواج بسیار کم است.انتظار می رود این امواج گرانشی صداهایی چون Pops یا ترکیدن و Crackles یا شکستگی تولید کنند. گفتن این موضوع دشوار است؛ چراکه منشأ و مبدأ آن ها هنوز مشخص نیست.

امواج گرانشی انفجاری

امواج گرانشی اتفاقی:امواج گرانشی اتفاقی اثرهایی به جامانده از تکامل اولیه ی جهان است.این امواج گرانشی مانند بسیاری از رویدادهای تصادفی و مستقل ایجادکننده ی پس زمینه ی موج گرانشی کیهانی، مانند میکروموج پس زمینه ی کیهانی (CMB) به وجود می آیند که احتمالا نور پایینی از انفجار بزرگ است.پیش بینی می شود انفجار بزرگ نامزد و منشأ اصلی برای تولید بسیاری از فرایندهای تصادفی در تولید امواج گرانشی تصادفی و CMB باشد. بنابراین، ممکن است اطلاعات مربوط به مبدأ و تاریخ جهان را با خود حمل کند.اگر این امواج گرانشی واقعا در انفجار بزرگ متصاعد شده باشند، این امواج به اندازه ی گسترش جهان گسترش می یابند و می توانند درباره ی ابتدای کیهان به ما بگویند. صدایی که این امواج گرانشی تولید می کنند، مداوم و بسیار شبیه به استاتیک است.

امواج گرانشی اتفاقی

فناوری لایگو

هریک از اجزای تشکیل دهنده ی سیستم لایگو به خودی خود تکنیک مهندسی است و بدون همکاری یکپارچه، لایگو به عنوان ابزاری چندمنظوره هرگز نمی تواند به اهداف علمی اش دست یابد.باید بدانید اگر هرکدام از اجزای لایگو کوچک ترین نقص و خطایی داشته باشند، کل مأموریت شکست می خورد و همه ی اجزای سیستم آسیب خواهند دید. درادامه، هریکاز سیستم های اصلی و بحرانی لایگو را به طور کلی مرور می کنیم.

تداخل سنج ها (Interferometers)

تداخل سنج ها (Interferometers) به طور گسترده ای در علم و صنعت برای اندازه گیری جابه جایی های کوچک و تغییراتشاخص شکستو بی نظمی های سطحی استفاده می شود. در اواخر قرن نوزدهم،آلبرت مایکلسونتداخل سنج را اختراع کرد.در اغلب تداخل سنج ها، نور از منبعی منفرد به دو پرتو هدایت می شود کهمسیرهایمختلفنوری را می گذرانند. سپس، دوباره برای ایجاد تداخل ترکیب می شوند؛ اما در برخی موارد، دو منبع غیرواقعی نیز می توانند درگیر شوند.در علوم تحلیلی، تداخل سنج ها برای اندازه گیری طول و شکل اجزای نوری با دقت نانومتری استفاده می شوند.آن ها بالاترین و دقیق ترین ابزار اندازه گیری موجود را دارند.تداخل سنجی نجومی شامل دو یا چند تلسکوپ جداگانه است که سیگنال های آن ها را ترکیب می کند.

ازآنجاکه تداخل سنج ها کاربرد بسیار وسیعی دارند، به ​​شکل و اندازه های مختلف ساخته می شوند.آن ها برای اندازه گیری همه چیز از کوچک ترین تغییرات روی سطح ارگانیزم میکروسکوپی تا ساختار گسترده ی عظیم گاز و گردوغبار در جهان دور و در حال حاضر، برای تشخیص امواج گرانشی استفاده می شود.با وجود طرح ها و روش های مختلفی که در آن ها استفاده می شود، همه ی تداخل سنج ها در یک موضوع مشترک هستند: آن ها پرتوهای نور را برای ایجاد الگوی تداخل سوق می دهند.پیکربندی اولیه ی تداخل سنج لیزری مایکلسون در شکل زیر نشان داده شده است.این دستگاه شامل لیزر، شکافنده ی پرتو، مجموعه ای از آینه ها و عکس گیرنده یا دستگاه عکاسی (نقطه ی سیاه) است که الگوی تداخل را ثبت می کند.

تداخل سنج

تداخل سنج ها در اواخر قرن نوزدهم محبوب شدند و چندین نوع متفاوت از آن ها وجود دارد که هرکدام به طور کلی برمبنای اصولی ساخته شده اند که در این مقاله آورده شده است و به نام دانشمندانی نام گذاری شده اند که آن را کامل کرده اند. شش نوع متداول از تداخل سنج ها عبارت اند از: مايکلسون، فابی پرت، فيزا، ماچ زندهر، سايناک و تداخل سنج تيممن گرین.

تداخل سنج مایکلسون (به نام آلبرت مایکلسون، ۱۸۵۳ تا ۱۹۳۱) احتمالا چون به عنوان بخشی از آزمایش مشهورمایکلسون مورلیشناخته شده که در سال ۱۸۸۱ ایفای نقش کرد. این زمانی بود که مایکلسون و همکارش، ادوارد مورلی (۱۸۳۸ تا ۱۹۲۳)، از وجود مایع نامرئی مرموز به ناماتر یا عنصر آسمانیخبر دادند که فیزیک دانان اعتقاد داشتند فضای خالی فضا را پر کرده است. آزمایش مایکلسون مورلی، یکی از اقدامات مهم پیش روی تئوری نسبیت آلبرت اینشتین بود.

تداخل سنجی نجومی با استفاده از روش سنتز دیافراگم مشاهده ها را با وضوح زیاد به دست می آورد. با این روش، سیگنال ها را از خوشه ای از تلسکوپ های نسبتا کوچک به جای تلسکوپ یکپارچه بسیار گران قیمت به دست می آورد.

لایگو در حال حاضر شامل دو تداخل سنج است که دو سیلندر یا لوله Lشکل به طول ۴ کیلومتر (۲.۵ مایل) دارند.این سیلندرها به عنوان آنتن عمل می کنند تا موج های گرانشی را شناسایی کنند.

تداخل سنج لایگو بزرگ ترین و حساس ترین تداخل سنج جهان هستند. این امر در جست وجو برای امواج گرانشی بسیار مهم است؛ زیراکه بازوهای تداخل سنجی طول بیشتری دارد و لیزر دورتر و دستگاه حساس تر می شود. این تلاش برای تغییر انداز ه گیری حتی هزار بار کوچک تر از یک پروتون است، بدین معنی که لایگوباید درمقابل هر ابزار علمی ساخته شده حساس تر باشد، بنابراین، هرچه طولانی تر باشد، بهتر است. در ویدئو زیر روش کار تداخل سنج را می توانید ببینید:

مفهوم تداخل سنجی به زبان ساده

برای درک بهتر اینکه تداخل سنج ها چگونه کار می کنند، کسب اطلاعات بیشتر درباره یالگوی دخالتمی تواند کمک کند.درنظر بگیرید سنگی را به حوضچه یا استخر پرتاب کرده اید. وقتی واقعه را دیدید، یعنی درباره ی مداخلات اطلاعات کسب کرده اید. درواقع، سنگ ها با برخورد به آب امواج متمرکز ایجاد می کنند که از نقطه ی ورود سنگ متصاعد می شوند.در جایی که دو یا چند امواج متمرکز به هم برخورد کنند و متقاطع شوند، شکل آن ها تغییر می کند و امواج جدیدی ایجاد می شود که گاهی اوقات بزرگ تر و گاهی کوچک تر هستند یا از بین می روند.شکل جدیدی که از امواج آن دو موج جدا و ازهم تقسیم می شوند، الگوی دخالت است.

موج های آب

درست همین اتفاق می افتد که امواج نور مانند امواج آب رفتار می کنند.وقتی دو پرتو نور لیزر ادغام می شوند، بین آن ها الگوی تداخل ایجاد می شود که به نحوه ی هماهنگ شدن امواج نور هنگام ترکیب آن ها بستگی دارد.وقتی دو پرتو نور باهم برخورد می کنند،باهم همپوشانی دارند، دخالت می کنند و به اصطلاح درهم تداخل ایجاد می کنند و تفاوت فزاینده ی بین آن ها الگوی مناطق روشن و تاریک (به عبارت دیگر مجموعه ای از حاشیه های تداخل) ایجاد می کند. نواحی روشن مکان هایی هستند که دو پرتو آن ها باهمترکیب و روشن تر می شوند (سازنده). نواحی تاریک مکان هایی هستند که پرتوها از یکدیگر جدا شده اند (مخرب). الگوی دقیق تداخل به راه های مختلف یا فاصله ی اضافی بستگی دارد که یکی از پرتوها به آن سفر کرده است. با بررسی و اندازه گیری حاشیه ها، می توانید این را با دقت زیادی محاسبه کنید. این به شما اندازه گیری دقیقی از هر چیزی می دهد که می خواهید به آن برسید.

جداسازی لرزه ای

بزرگ ترین قوت لایگو بزرگ ترین ضعف آن نیز محسوب می شود.لایگو برای اندازه گیری کوچک ترین حرکات ناشی از ضعیف ترین تحرکات موج گرانشی طراحی شده و بهتمامارتعاشات نزدیک (مانند حرکت کامیون ها و خودروها در جاده های نزدیک) و دور (زلزله در جاهای دیگر جهان) بسیار حساس است. ازاین روبدون استفاده از اقدامات ویژه، هر تعداد از ارتعاشات زمین و کوچک ترین حرکتی می تواند آینه های اصلی لایگو را حرکت دهد. دانشمندان لایگو آن ها راتوده های آزمایشینامیده اند. برای رفع این مشکل لایگو ازجداسازی حداکثر ارتعاش محیط زیستی استفاده می کند.برای این منظور، لایگو با استفاده از چندین روش و دسته بندی لرزه ها به دو دسته ی فعالو غیرفعالآن ها را ازبین می برد. شایان ذکر است به سیستم حذف تحرکات زیست محیطی و غیرموجیجداسازی لرزه ایمی گویند.

ISI/سیستم جداسازی لرزه ای

عکسی از سیستم جداسازی لرزه ای داخلی (ISI)

دمیدن فعال

اولین خط دفاع لایگو دربرابر لرزش های ناخواسته، سیستم مهار فعال است.سیستم جداسازی لرزه ای داخلی (ISI) شامل دستگاه هایی است که جنبش های زمینی را حس می کنند و سپس به صورت عمدی حرکات متقابل را برای ازبین بردن آن ها انجام می دهند و ابزار را بدون حرکت نگه می دارند.

بدیهی است محیط محلی همیشه باعث یک یا چند شکل از ارتعاش یا حرکت می شود.سیستم ISI LIGO شامل حسگرهای طراحی شده برای احساس فرکانس های مختلف ناشی از ارتعاشات گوناگون محیطی است.این حسگرها درکنار یکدیگر کار می کنند و سیگنال هایشان را به کامپیوتر می فرستند تا اثرهای همه ی این حرکات را ترکیب و سپس، با تولید شبکه ای ضدحرکت تمام ارتعاشات را لغو کند. کارکرداین سیستم بسیار شبیه به هدفون هایی است که بهNoise-Cancelingیاسیستم حذف سروصدای اطراف مجهز هستند.

دمیدن غیرفعال

سیستم دمیدن غیرفعال لایگو از پاندولی چهارمرحله ای به نام کواد (Quad) ساخته شده است.در کواد، توده های آزمایشی لایگو (آینه های آن) در انتهای چهار پاندولتعلیق می شوند.طرفحلقه ی اصلیبا پرتو لیزر مواجه است؛ درحالی که طرفتوده ی واکنشبه حذف توده ی آزمایشی از سروصدایی کمک می کند که به منابع فضایی مربوط نیست.این پیکربندی هر حرکتی را جذب می کند که به طور کامل آن را سیستم فعال (ISI) لغو نمی کند.وزن خالص اجزای سیستم تعلیق (وزن هر آینه چهل کیلوگرم است) به لطفقانون اینرسی از حرکت آینه جلوگیری می کند.

همکاری مشترک سیستم لرزه ای دمیدن غیرفعال و فعال به آینه ها و لیزر لایگو اطمینان می بخشد که از هر نوع صدای خارجی و لرزه های فیزیکی ممکن پاک شوند.

کواد/quad

سیستم پاندول چهارمرحله ای کواد (Quad)

خلأ

لایگو یکی از مکند های بزرگ و پاک پایدار در زمین محسوب می شود کهازنظرحجمی، تنها از هادرونبزرگCollider در سوئیس پیشی گرفته است.فشار جوّی در داخل لوله های خلأ لایگو بهیک تریلیونفشار هوای سطح دریا می رسد.لایگو به دو دلیل به این دو خلأ نیاز دارد:

۱.هوا یا حتی فقط چند مولکول هوا می تواند با ایجاد سروصدا باعث تغییرات کوچک در فاصله ی بین آینه ها شود و حتی مانند ماسکی ممکن است آن ها را بپوشاند.وجود مولکول های هوا در داخل خلأ ممکن است باعثجنبش براونی(حرکت تصادفی ناگهانی ذرات میکروسکوپی) شود.مولکول های هوا وقتی به سطح آینه می رسند، آن ها را می توانند حرکت دهند و موجب انعکاس امواج گرانشی شوند.همچنین، وجود هوا در مسیر نور لیزر باعث تغییر مسیر آن نیز می شود.حتی اگر فقط چند مولکول هوا به پرتو نور لیزر برخورد کنند، فاصله ی آشکاری بین آینه ها می توانند ایجاد کنند و حتی آن ها را تحت تأثیر قرار دهند و باردیگر جلوه های ظریف موج گرانشی گذرا را پنهان کنند.

لایگو یکی از مکنده های بزرگ و پاک پایدار در زمین را دارد

۲.گرد و غباری که به مسیر لیزر یا بدتر از آن به مسیر یکی از آینه رفته، باعث پراکندگی نور می شود.بدون عمل در چنین خلأ باکیفیتی ممکن است لیزر لایگو منحرف شود و الگوهای تداخل ناخواسته ای ایجاد کند. درنهایت، سیستم تشخیص لایگو دچار اشتباه و حتی در حرکات گرانشی ناخواسته و بی مصرف غرق می شود. به زبانِ ساده تر،ازدست دادن هر فوتون نور لیزر می تواند توانایی لایگو برای تشخیص امواج گرانشی را فلج کند.

ایجاد چنین حجم زیادی از فضای خالی روی زمین کار ساده ای نبود.مهم ترینتکنیک ها برای حذف تمام مولکول های هوای داخل لوله های خلأ لایگو به شرح زیر است:

  • لوله ها به مدت سی روز با دمای ۱۵۰ تا ۱۷۰ درجه یسانتی گراد حرارت داده شدند تا مولكول های گاز باقی مانده را بيرون بكشند.
  • پمپ هایی از جنس و نوعتوربوپمپ(مانند موتورهای جت کوچک که مکش را به جای رانش ایجاد می کنند) مقدار زیادی از هوای موجود داخل لوله ها را ازبین بردند.
  • سپس پمپ های یونی به طور انحصاری با شارژ الکتریکی، مولکول های گاز باقی مانده ی داخل لوله ها را استخراج و آن ها را مانند آهن ربا با دور مخالف جذب می کنند.ازآنجایی که فلز داخل محفظه ی خلأ همیشه مولکول های گازهای خروجی منتشر می کند، این پمپ ها به طور مداوم به منظور حفظ خلأ اولیه ی درون لوله ها در حال عمل هستند.

فعالیت های خروج هوا و ایجاد خلأ به مدت چهل روز (۱۱۰۰ ساعت) برای حذف و خارج کردن همه ی ۱۰هزار مترمکعب هوا و سایر گازهای باقی مانده ی داخل لوله های خلأ لایگو و رسیدن به فشار یک تریلیونی سطح دریا طول کشید.

سیستم نوری لایگو

سیستم نورپردازی لایگو عبارت است از: لیزرها و مجموعه ای از آینه ها و یک دستگاه عکاسی (دستگاهی که سطح نور را اندازه گیری می کند).برای اندازه گیری یک جنبش یا موج گرانشی که ممکن استهزاران بار کوچک تر از یک پروتون باشد، اجزای نوری لایگو باید هماهنگ و با دقتی بی سابقه عمل کنند. همه ی این پروسه با لیزر اصلی شروع می شود.

لیزر

همه ی ما روزانه لیزرها را در اشاره گر لیزر و اسباب بازی های مختلف یا اسکنر بارکد در فروشگاه موادغذایی مشاهده می کنیم.ازآنجا که لیرز همه جا دردسترس قرار دارد، اکثر ما تمایل داریم بدون دانستن اینکه چگونه کار می کنند، آن ها را قبول کنیم.اگر شما هم یکی از این افراد هستید، تنها نیستید!اگر می خواهید بدانید لیزرها که چگونه کار می کنند، فیلم ویدئوییچگونه لیزرها کار می کنند؟محصولScience Outbound Scienceدانشگاه کمبریج،توضیح سرگرم کننده و آسانی برای درک کارکرد لیزر فراهم می کند.وقتی اصول اساسی نحوه ی کار لیزرها را درک کنید، درک کارکرد لیزر لایگو بسیار آسان است.

اولین نکته ای که باید درک کنید این است که کلمه ی لیزر (به انگلیسی LASER) مخفف کلمه یLightAmplification by theStimulatedEmission ofRadiation است.درواقع،لیزر به فرایندی بیش از یک چیز اشاره می کند؛ اما عموم مردم اکنون از این اصطلاح برای دستگاهی استفاده می کنند که پرتو لیزر یا پرتو خود را تولید می کند.

لیزر قرارگرفته در قلب لایگو دویست وات است؛ ولیممکن است تعجب کنید خروجی پرتو لیزر در لایگو دویست وات نیست. درواقع، چهار مرحله برای تقویت قدرت آن درنظر گرفته شده و طول موج آن را تا سطح دقتی بهبود می بخشد که قبلا در هیچ نوع لیزری دیده نشده است.

تقویت چندمرحله ای برای لایگو ضروری است؛ زیرا به طور مداوم به تولید طول موج نوری درخشانی نیاز است.می توان گفت لیزر لایگو، تنها لیزر و پایدارترین لیزری است که می تواند در این طول موج نور تولید کند.این ثبات و پایداری یکی از عوامل مهم برای توانایی لایگو در تشخیص امواج گرانشی است.

بااین حال، در اینجا نیز مشکلی وجود دارد. برای اینکه لایگو با حساسیت کامل عمل کند، لیزر آن باید ۷۵۰ کیلووات نور تولید کند؛ اما لیزر لایگو حداکثر ۲۰۰ وات نور را وارد تداخل سنجی می کند. بنابراین، همان طورکه ساخت تداخل سنجی با طول ۱۱۲۰ کیلومتر ناممکن است، ساخت لیزر ۷۵۰کیلوواتی نیز عملی ناممکن است. پس، چگونه لایگو قدرت لیزر خود را ۳۷۵۰ بار افزایش می دهد بدون اینکه از قدرت بیشتری استفاده کند؟

لیزر لایگو، تنها لیزر و پایدارترین لیزری است که می تواند در این طول موج نور تولید کند

بله، آینه های بیشتر! به طور مشخص آینه هایبازیافت نیروبین منبع لیزر و شکافنده ی پرتو قرار می گیرند. در شکل زیر، می توانید فرایند تقویت لیزر را ببینید.در آینه ی بازیافت انرژی، نور لیزر برای اولین بار ازطریق آینه عبور می کند تا به شکافنده ی پرتو برسد؛ یعنی جایی که در آن تقسیم می شود و به سمت بازوهای داخلی حرکت می کند.

آینه های لایگو/ligo mirror

آینه ها

آینه های لایگو بهترین کیفیت ممکن را دارند واز شیشه های سیلیکا با پوشش بسیار خالص ساخته شده اند. هرکدام از این آینه ها سه میلیون فوتون را جذب می کنند.جذب در آینه ها بسیارمهم است؛ زیرا هرچه جذب در آینه ها بیشتر باشد، نور لیزر بیشتری منعکس می شود.بازتاب بیشتر نورها بدان معنی است که آینه ها مستعد گرمایش نیستند.گرمای بیش ازحد از لیزر می تواند آینه ها را به اندازه ای تغییر دهد که کیفیت نور لیزر را کاهش دهند.هرگونه تخریب و اختلال در سیستم آینه ها توانایی لایگو را برای تشخیص موج گرانشی از سروصدای محیطی مختل می کند.درنهایت، سطح بسیار بازتابنده ی آینه ها قدرت لیزر را حفظ می کند. همچنین، قدرت بیشتر و رزولوشن و دقت لایگو را بهبود می بخشد.

درنهایت، آینه ها آن قدر دقیق جلا داده شده اند که تفاوت بین طراحی نظری (شکل آینه ی کاملا براساس کامپیوتر طراحی شده) و سطح آینه ی واقعی جلا داده شده درحد اتم اندازه گیری شده است.این عمل بسیار اهمیت دارد؛ چراکه هر نور لیزر در هر بازو، قبل از آنکه با جفت خود ادغام شود، حدود ۱۱۲۰ کیلومتر حرکت می کند و درنهایت، به دستگاه عکاسی (Photodetector) می رسد.حفظ پایداری و خلوص نور لیزر یکی از مشکلات بزرگ لایگو است.

مختصری از نحوه ی عملکرد لایگو

آزمایشی که در لایگو انجام می شود، تقریبا مشابه آزمایشمایکلسون مورلیاست.هر آشکارساز به شکل L خیلی بزرگ است با دو بازو به طول چهار کیلومتر. نور لیزر درون هر بازو مرتب بازتاب می شود.ساعت اتمیبسیار دقیقی مدت زمانی را اندازه می گیرد که طول می کشد نور به انتهای بازو برود و برگردد. در حالت عادی، هر دو بازو به یک طول هستند؛ بنابراین، نور یک زمان مشخص طول می کشد که از آن ها عبور کند. به همین دلیل، وقتی دو پرتو از بازوها بازتاب می شوند، شکلی یکسان دارند و می توان آن ها را روی هم انداخت تا همدیگر را خنثی کنند (تداخل مخرب). اگر موج گرانشی از میان آن عبور کند، هرچند طول بازوها تغییر می کند، این موج در یک جهت است؛ بنابراین، بازوها دیگر طول برابر ندارند.

بازوهای لایگو/L

طبقنظریه ی نسبیت، سرعت نور برای هر مرجعی ثابت است؛ بنابراین، نور زمان متفاوتی طول می کشد تا از هر بازو عبور کند و همدیگر را کامل ازبین نمی برند. سپس، با تجزیه وتحلیل موج به دست آمده از ترکیب این دو موج، اطلاعات موج گرانشی را به دست می آورند. از روی تداخل، پژوهشگران می توانند طول نسبی دو بازو را در حدود ۱،۱۰۰۰۰۰ قطر پروتون حساب کنند.

البته همان طورکه گفته شد، به دلیل دقت زیاد مشکلات فراوانی برای تشخیص و تجزیه و تحلیل وجود دارد و باید لرزش هایی مثل زمین لرزه و ترافیک را درنظر بگیرند.در ویدئوی زیر، کل کارکرد و اجزای لایگو را می توانید مشاهده کنید.

همان طورکه می دانید، به لایگو رصدخانه می گویند؛ اما باید بدانید لایگو تفاوت هایی با رصدخانه های امروزی دارد که مختصری از آن را برای شما بیان می کنیم. لایگو نمی تواند امواج گرانشی را به تنهایی تأیید کند. این درحالی است که رصدخانه ی نجومی می تواند عملکرد خود را انجام دهد و اطلاعات جمع آوری کند. آشکارسازهای موج گرانشی مثل لایگو نمی توانند به تنهایی کار کنند و تنها راه تأیید تشخیص موج گرانشی، کارکردن با آشکارساز دیگری است. این تضمین می کند که ارتعاشات محلی به جای امواج گرانشی تشخیص داده نشده و اشتباهی رخ نداده است. یک آشکارساز می تواند در اصل یک موج گرانشی را حس کند و بگوید آن یک انفجار ابرنواختری بوده است. باوجوداین برای تأیید تشخیص، یک سیگنال الکترومغناطیسی همزمان از نوعی دیگر نیز باید ساخته و پرداخته شود.

لايگو نابينا است و برخلاف تلسكوپ های نوری و راديويی، لايگو نمی تواند تشعشعات الكترومغناطيسی (نور مرئی و امواج راديويی و ماكروويو) را مشاهده كند؛ زيرا امواج گرانشی بخشی از طيف الكترومغناطيسی نيستند. درحقيقت تشعشعات الكترومغناطيسی برای لايگو به اندازه ای غيرضروری است كه كاملا دربرابر آن عايق شده و نمی تواند چيزی را ببيند؛ اما درعوض می تواند امواج گرانشی نامرئی را حس كند.

آشکارسازهای موج گرانشی مثل لایگو نمی توانند به تنهایی کار کنند. تنها راه تأیید تشخیص موج گرانشی، کارکردن با آشکارساز دیگر است

لايگو كُروی نيست و ازآنجاكه اين مجموعه به جمع آوری نور ستاره ها يا ديگر اجرام موجود در جهان نيازی ندارد، به كروی بودن يا نيم كره ای بودننيازی نخواهد بود. این شكل ها به جمع آوری بيشتر تشعشعات الكترومغناطيسی كمک می كنند،. لايگو به جای داشتن چشمی شبيه به رصد خانه های نجومی، دو گوش بلند به طول چهار كيلومتر دارد كه از لوله های فولادی خلأ به قطر ۱.۲ متر تشكيل شده اند. اين لوله ها به شكل L دركنارهم قرار گرفته اند و لايه ای وسيع و ضخيم بتنی آن را از جهان بيرون مجزا کرده اند.

محاسبات و جمع آوری داده ها

وقتی لایگو در حالت <<مشاهده>> قرار می گیرد،هرروز یکترابایت (۱۰۰۰ گیگابایت) اطلاعات تولیدمی کند.تمام این اطلاعات برای ذخیره سازی و بایگانی باید به شبکه ی اَبَرکامپیوتر منتقل شوند.چنین اَبَرکامپیوتری در هریک از رصدخانه ها، در کالتچ و MIT و سایر مؤسسات قرار دارند.هنگامی که داده ها به صورت ایمن انتقال داده می شوند، دانشمندان می توانند با استفاده از برنامه های کامپیوتری سفارشی و مختص تشخیص امواج گرانشی داده ها را پالایش کنند.

اگر بخواهید یک پتابایت را بشمارید و به فرض در هر ثانیه یک بایت را شمارش کنید، ۳۵.۷میلیونسال طول می کشد

مقدار داده ی جمع آوری شده ی لایگو ازنظر بزرگی حجم بی نظیر است. درمقابل سیگنال های موج گرانشی بسیار کم هستند.آرشیو لایگو در حال حاضر بیش از یک میلیون دی وی دی داده دارد و هر ساله حدود ۱۷۸هزار دی وی دی به بایگانی آن اضافه خواهد شد.در شرایط واقعی عددی، آرشیو داده ها در Caltech بیش از ۴.۵پتابایت (Pb) (معادل یک میلیون گیگابایت) داده دارد و با نرخی حدود ۰.۸ (۸۰۰ ترابایت) در سال رشد می کند.مگرچه خبر است؟بگذارید روشن تر بگوییم:اگر بخواهید یک پتابایت را بشمارید و به فرض اینکه در هرثانیه یک بایت را شمارش می کنید، ۳۵.۷میلیونسال طول می کشد تا به رقم یک پتابایت برسید!

ذخیره سازی اطلاعات یک موضوع است وپردازش آنموضوعی دیگر.پردازش و تجزیه وتحلیل تمام داده های لایگو به زیرساخت محاسباتی وسیع و قدرتمند و ویژه اینیاز دارد.برای اولین بار در سال ۲۰۱۵ لایگو آزمایشگاهی راه اندازی کرد که ۳۵میلیون واحد خدمات (MSU) (مقدار پردازش کار هر کامپیوتر در یک ساعت) دارد.این، معادل راه اندازی لپ تاپ چهارهسته ای رده بالا برای هزار سال است.

مأموریت و مشاهده ها

تشخیص مستقیم امواج گرانشی به مدت طولانی بررسی شده است.تلاش برای کشف آن ها باعث ایجاد شاخه جدیدی از ستاره شناسی و نیز تکمیل تلسکوپ هایالکترومغناطیسیو رصدخانه هاینوترینوشده است. جوزف وبراولین تلاش خود را برای شناسایی امواج گرانشی در دهه ی ۱۹۶۰ ازطریق کار درآشکارسازهای نوار انبساط رزونانسآغاز کرد.آشکارسازهای نوار همچنان در شش سایت در سراسر جهان استفاده می شود.تا دهه ی ۱۹۷۰، دانشمندانی ازجمله راینر وایز (Rainer Weiss) متوجه شدند کهتداخل سنجیلیزر برای اندازه گیری های موج گرانشی کاربرد دارد.

همان طورکه در مؤسسه ی آزمایشگاه لایگو تعریف شده، مأموریت لایگو کشف و تجزیه و تحلیل موج های گرانشی ازطریق تشخیص مستقیم امواج گرانشی است. آشکارسازهای لایگو از تداخل سنجی لیزری استفاده می کنند تا بتواند اعواج را در فضا زمان ثبت و اندازه گیری کند.

مأموریت لایگو به طور مستقیم مشاهده ی امواج گرانشی از منشأ کیهانی است.این امواج به واسطهنظریه ی نسبیت کلی انیشتین کهدر سال ۱۹۱۶ پیش بینی شده بود، دردست بررسی هستند؛ یعنی زمانی که فناوری لازم برای تشخیص آن ها هنوز وجود نداشت. وجود آن ها به طور غیرمستقیم وقتی تأیید شد که مشاهده هایپالسار دودوییPSR 1913 + 16 در سال ۱۹۷۴ کشف شد. جایزه ی نوبلفیزیک در سال ۱۹۹۳ بههالسوتیلوربرای این کشف اهدا شد.

مأموریت لایگو کشف و تجزیه وتحلیل موج های گرانشی ازطریق تشخیص مستقیم امواج گرانشی است

حقیقت این است که در اوایل دهه ی ۱۹۶۰ و شاید قبل از آن، مقالاتی درباره ی امواج نوری و گرانشی انتشار یافتند. در سال ۱۹۶۲، در زمینه ی تقویت روش های بهره برداری از تشخیص امواج گرانشی با فرکانس بالا مقاله هایی منتشر و روی آن کار شد.

در سال ۱۹۶۲ ،مارتین گرتسنشتینو VI Pustovoit نخستین مقاله را منتشر کرد که اصول استفاده از Interferometers برای تشخیص امواج گرانشی طولانی مدت را توضیح می داد.نویسندگان استدلال کردند با استفاده از Interferometers حساسیت می تواند 107تا 1010برابر بهتر از آزمایش های الکترومکانیکی باشد. بعدها و در سال ۱۹۶۵، برگینسکی (Braginsky) به طور گسترده ای درباره ی منابع موج گرانشی و تشخیص احتمالی آن ها صحبت کرد.وی با اشاره به مقاله ی سال ۱۹۶۲ به امکان تشخیص امواج گرانشی نیز اشاره کرد. البته اگر فناوری اینترفرومتریک و تکنیک های اندازه گیری بهبود یافته باشد.

در اوت۲۰۰۲، لایگو جست وجوی خود را برای امواج گرانشی کیهانی آغاز کرد. انتظار می رفت این اندازه گیری و تشخیص این سیستم ها را شامل شود: سیستم های دوتایی (برخورد و هم پوشانی ستاره های نوترونی یا سیاه چاله ها)، انفجار ابرنواختری از ستارگان عظیم تشکیل دهنده ی ستاره های نوترونی و سیاه چاله ها، ستاره های نوترونی، چرخش ستاره های نوترونی با پوسته های ناهموار و بقایای تابش گرانشی ایجادشده ی انفجار بیگ بنگ.

به طور خلاصه، مأموریت لایگو مراحل زیر را شامل می شود:

  • مشاهده ی منابع موج های گرانشی
  • توسعه ی آشکارسازهای پیشرفته و بهره برداری از امکانات محدود در عملکرد تداخل سنج، استفاده از امکانات لایگو برای حمایت از جامعه ی علمی و ملی و بین المللی، ذخیره سازی داده ها و کمک به محاسبات منابع برای تجزیه وتحلیل داده ها
  • توسعه ی زیرساخت های نرم افزاری برای تجزیه وتحلیل داده ها و شرکت در جست وجو و تجزیه وتحلیل
  • حمایت از آموزش علمی و اطلاع رسانی عمومی مربوط به نجوم موج گرانشی

لایگو پیشرفته

پس از سال ۲۰۱۰، لایگو چندین سال برای ارتقای بزرگ آفلاین شد. هدف از این کار نصب آشکارسازهای پیشرفته در زیرساخت های لایگو بود. با نصب و ارتقای تجهیزات پیشرفته حساسیت لایگو درمقایسه با ابتدا سه برابر شد.

اولین موج گرانشی پس از ارتقای لایگو مشاهده شد. با همکاری لایگو و ویرگو در ۱۱فوریه ی۲۰۱۶ اعلام شد که اولین موج گرانشی مشاهده شد. این سیگنال GW150914 نام گذاری شد. تنها دو روز پس از اینکه آشکارسازهای پیشرفته لایگو به جمع آوری داده را شروع کردند، این موج نمایان شد. درواقع، این مشاهده پیش گویی نسبیت عام را آشکار می کرد. این آشکارسازی وجود سیستم سیاه lrm;چاله های دوستاره ای و ادغام آن ها با یکدیگر را نشان می داد.

در ۱۵ژوئن۲۰۱۶، لایگو اعلام کرد رویداد موج گرانشی دیگری در ۲۶دسامبر۲۰۱۵ ساعت ۳:۳۸ UTC ثبت شده است.تجزیه و تحلیل سیگنال های مشاهده شده نشان داد این رویداد ناشی از ادغام دو سیاه چاله با توده های ۱۴.۲ و ۷.۵ جرم خورشیدی هستند که در فاصله ۱.۴میلیارد سال نوری قرار دارند. این سیگنال GW151226 نام گذاری شد.

دومین افزایش حساسیت (O2) از ۳۰نوامبر۲۰۱۶ تا ۲۵آگوست۲۰۱۷ در بازوی لیوینگستون به میزان ۱۵ تا ۲۵درصددرمقایسه با O1 بهبود داده شد.ارتقای بیشتر بعد از O2 (در مدت زمان نامشخص) با وقفه ای نُه ماهه دنبال می شود. لایگو قصد دارد ارتقای حساسیت به O3 را در اوایل سال ۲۰۱۹ آغاز کند. علاوه بر رعایت اصول و تلاش های لازم برای بهبود بیشتر حساسیت، هدف لایگو دستیابی به حساسیتی است که برای ۲۰۲۱ طراحی و برنامه ریزی شده است.

لایگو پیشرفته/aLigo

نمودار ساده ای از لایگویی پیشرفته (بدون مقیاس)

در سال ۲۰۱۷، لایگو چهار موج گرانشی دیگر را دید: ۱. موج گرانشی GW170104 در ژانویه؛ ۲. موج گرانشی GW170608 در ژوئن؛ ۳. موج گرانشی GW170814 در اوت؛ ۴. موج گرانشی GW170817 در اوت. شایان ذکر است GW170814 و GW170817 راCollaboration Virgo مشاهده کردند. برخلاف مشاهده های قبلی که ادغام سیاه چاله ها تنها کشف گرانشی مشاهده کردنی بودند، این بار GW170817 از برخورد دو ستاره ی نوترونی پدیدار شده بود و همچنین ماهواره های پرتوگاما و تلسکوپ های نوری الکترومغناطیسی آن را تشخیص داد. مختصری درباره ی GW170817 می توانید در زیر بخوانید.

GW170817سیگنالموج گرانشیبود که با همکاریلایگووتداخل سنج ویرگوبا استفاده ازآشکارساز موج گرانشیدر ۱۷اوت ۲۰۱۷ مشاهده شد و نخستین رویداد موج گرانشی محسوب می شد که به طور هم زمان با همتایالکترومغناطیسیخود دیده شد و درنتیجه، دستیابی به پیشرفتی درخورتوجه دراخترشناسیچندرسانه ای را رقم زد.این سیگنال که مدت زمان آن نزدیک به صد ثانیه بود، نخستین بازیابی موج گرانشی از ادغام دوستاره ی نوترونیبود که با خط کوتاهانفجاری پرتوگاما(GRB 170817A) همراه بود و درکهکشان بیضوی(NGC 4993) کشف شد.هیچ نامزد یا اثری ازذره ی بنیادینوترینودرباره ی منبع سیگنال در جست وجوهای پیگیرانه بعدی یافت نشد.

موج گرانشی این رویداد در ساعت ۰۴:۱۲:۴۱ UTC اتفاق افتاد و حدود ۱۰۰ ثانیه بافرکانس۲۴هرتزادامه یافت. در طول این مدت، درحدود ۳۰۰۰ چرخه (سیکل) پوشش داده شده که با فرکانس موج گرانش در حال افزایش به چندصد هرتز (چرخه برثانیه) رسید. ابتدا در آشکارساز ویرگو ایتالیا و سپس ۲۲ میلی ثانیه بعد در آشکارساز لایگو لیوینگستون درلوییزیانایایالات متحده ی اروپا و پس از ۳ میلی ثانیه در آشکارساز لایگوهانفورد درواشینگتن ایالات متحده ی آمریکا وارد و ثبت شد.هر سه آشکارساز منبع سیگنال را در یک مساحت ۲۸ درجه مربع درآسمان جنوببا احتمال تقریبی ۹۰درصدمحاسبه کردند.

لایگو ایندیا

LIGO-INDIA یا INDIGO، پروژه ی همکاری مشترک بین آزمایشگاه لایگو و ابتکار هند در مشاهده های موج گرانشی (IndIGO) است که موجبات تشخیص و آشکارسازی امواج را در کشور هند فراهم می کند. آزمایشگاه لایگو با همکاری بنیاد ملی علوم ایالات متحده ی آمریکا و شرکای پیشرفته لایگو از انگلیس و آلمان و استرالیا پیشنهاد کرده تمام طرح ها و سخت افزارها را برای یکی از سه آشکارساز پیشرفته ی لایگو در کشور هند نصب و راه اندازی کنند تا تیمی از دانشمندان هندی در یک تأسیسات عملیات آشکارسازی آن را انجام و تجزیه و تحلیل کند.

پروژه ی LIGO-India همکاری بین آزمایشگاه لایگو و کنسرسیوم LIGO-India است و این مراکز را شامل می شود: مؤسسه ی تحقیقات پلاسما، Gandhinagar، مرکز بین المللی نجوم و استروفی فیزیک بین دانشگاه (IUCAA)، مرکز تحقیقات پیشرفته ی تکنولوژی، اندوره، پونا و راج رامانا.

لایگو هند

تصویری از شرکت کنندگان در برنامه ی امواج گرانشی که در دسامبر۲۰۱۳ در مرکز راج رامانا برای فناوری پیشرفته (RRCAT) برگزار شد

گسترش فعالیت های جهانی در تشخیص موج گرانشی برای تولید شبکه ای جهانی و به هم پیوسته و مشترک مؤثر، برای سال ها هدف نهایی لایگو بوده و خواهد بود. در سال ۲۰۱۰، نقشه ی راه توسعهرا کمیته ی بین المللی گرانشی موج (GWIC) تهیه و صادر کرد. این نقشه ی راه توصیه کرد گسترش مجموعه ای از آشکارسازهای اینترفره متریک به عنوان مهم ترین اولویت ادامه یابد. چنین شبکه ای از آسترو فیزیک دانانیا متخصصان فیزیک نجومی قابلیت های جست وجوی قوی تر و تولیدهای علمی بیشتری خواهد داشت. مطالعات نشان می دهد محلی سازی منابع ازطریق شبکه مانند قراردادن آشکارساز در هند، می تواند بهبود درخورملاحظه ای در آشکارسازی ایجاد کند.

بنیاد ملی علوم ایالات متحده ی آمریکا مایل بود این جابه جایی را انجام دهد و برنامه های بعدی را تا زمان افزایش بودجه به تأخیر بیندازد. بنابراین، قرار بر این شد کشور میزبان تمام هزینه های لازم برای ساخت آزمایشگاهی معادل با سایت های آزمایشگاهی لایگو برای اداره ی آشکارساز را تأمین کند. اولین محل ظرفیت دوردست در AIGO در غرب استرالیا بود. با این حال، دولت استرالیا تمایل نداشت تا مِی۲۰۱۱ بودجه ی مالی را تأمین کند.

محلی سازی منابع به وسیله ی شبکه ای مانند قراردادن آشکارساز در هند، می تواند بهبود چشمگیری در آشکارسازی ایجاد کند

در ژوئن ۲۰۱۲ در نشست مشترک کمیسیون بین هند و ایالات متحده ی آمریکا، درباره ی محلی در هند برای شروع پروژه بحث و تبادل نظر شد. به موازات آن، این پیشنهاد را سازمان تأمین مالی لایگو، یعنی NSF ارزیابی کرد. در اوت ۲۰۱۲، انجمن علمی ملی ایالات متحده ی آمریکا درخواست انتقال آزمایشگاه لایگو و نصب هتروفن H2 interferometer و آماده سازی آن برای ارسال و شروع آشکارسازی در LIGO-India را تصویب کرد. در کشور هند، بررسی این پروژه برای تأیید و تأمین بودجه به وزارت انرژی اتمی و وزارت علوم و فناوری ارائه شد. در ۱۷فوریه ی۲۰۱۶ و کمتر از یک هفته پس از تأیید لایگو برای راه اندازی پروژه ی لایگو و تشخیص امواج گرانشی در کشور هند، نارندرا مودی، نخست وزیر هند اعلام کرد کابینه موافقتش را برای پروژه ی LIGO-India اعلام کرده است.

سایتی در نزدیکی محل زیارت عوندا نگنات در منطقه ی هینگلی در غرب هند برای سایت پروژه یLIGO-India انتخاب شده است.

لایگو وویجر

لایگو وویجرر نسل سوم از آشکارساز لایگو است که حساسیت لایگو را تا ۱۰ هرتز کاهش می دهد. این طرح با جایگزین کردن آینه های شیشه ای و لیزر ۱۰۶۴ نانومترباعث کاهش دما و تغییر طول موج طولانی لیزر می شود.

کاوشگر کیهانی

کاوشگر کیهانی طرحی برای تسهیلات یا امکان بزرگ تر با سازه های طولانی تر است که به اصطلاح Cosmic Explorer نامیده می شود. این پیشنهاد بهبود برای تلسکوپ انیشتین داده شده و اساس آن براساس فناوری لایگو وویجر است.باوجوداین، گسترش پیکربندی آن به شکل مثلث ET یا L-shaped LIGO با بازوهای چهل کیلومتر در هر دو حالت است. این تأسیسات می تواند در زیر زمین یا روی آن ساخته شود.

جمع بندی و سخن پایانی

نصب و راه اندازی آشکارسازهای موج گرانشی به طور گسترده، از شاهکار مهندسی پیچیده ی لایگو حکایت می کند. سوپرلیزرهای تثبیت کننده، سیستم های خلأ عظیم، خالص ترین و پاک ترین سیستم اپتیک، حذف لرزش های بی سابقه و کنترل های سروو همگی برای هدفی منحصر به فرد همکاری می کنند: احساس موج های گرانشی زودگذر.کل لایگو بسیار بیشتر و پیچیده تر و وسیع تر از مجموع قطعات آن است.با این حال، هرکدام از قطعات لایگو در نوع خود درخورتوجه و خارج از آن هستند که بتوان در مقاله ای کوتاه هرکدام را بررسی و تشریح کرد.

ادغام سیاه چاله/Black Holes

توده های سیاه چاله ی شناسایی شده ی ازطریق لایگو

چرا امواج گرانشی؟

در سال ۱۹۹۳،راسل هولزوجوزف تیلور، اخترفیزیک دانان مشهور، جایزه ی نوبل فیزیک را برای کشف ستاره ای دوتایی از ستاره های نوترونی دریافت کردند. این ستاره ی دوتایی در سال ۱۹۷۴ کشف شده و ۲۱هزار سال نوری از زمین فاصله دارند.بیش از چهل سال بعد، یعنی در ۱۴سپتامبر۲۰۱۵، امواج گرانشی را به طور مستقیمتداخل سنج های لایگو شناساییکردند.این دستاورد اکنون به دست آمده؛ زیرا لایگو به گونه ای طراحی شده تا زمزمه های بی نهایت امواج گرانشی را ازطریق تأثیر آن بر تابشِ نور لیزر حس کند.این زمزمه ها ضعیف هستند؟ بله، ضعیف هستند.لایگوبا تغییر در طول بازو (چیزی درحدود ۱۰ به توان ۱۹- یا ۱۰هزار بار کوچک تر از یک پروتون) آن ها را کشف می کند.دستیابی به این درجه ی حساسیت به ترکیب درخورتوجهی از نوآوری های فناورانه در لیزرهای دقیق و فناوری خلأ و سیستم های پیشرفته نوری و مکانیکی نیاز دارد.

درحالی که جست وجوی لایگو برای امواج گرانشی به شدت به سیستم های برجسته ی آن، یعنی لیزر و آینه و فتوتراپی بستگی دارد، این مهندسی و زیرساخت های پشتیبانی فوق العاده است که کار لایگو را حتی ازراه دور امکان پذیر می کند.هریک از سیستم های مهندسی مجتمع لایگو اگرچه ذاتا متفاوت هستند، برای هدفی منحصر به فرد طراحی شده اند و کار می کنند: حذف نویز(مانند ارتعاشات فیزیکی از محیط زیست)، نوسانات کوانتومی در خودِ لیزر، تغییرات نانومتری در شکل های اپتیک و حتی مولکول های عبوری از مسیر لیزر می تواند تلاش های لایگو را برای تشخیص حساس خود مختل یا حتی متوقف کند. همکاری تمام این سیستم ها و زیرسیستم ها درنهایت به یک هدف ختم می شود: تشخیص و آشکارسازی امواج گرانشی.

در طول توسعه ی لایگو، فناوری های نوآورانه و اختراع های شگفت انگیز دیگری نیز ایجاد شده است؛ نوآوری هایی در زمینه های مختلف مانند لیزر، اپتیک، مترولوژی، فناوری خلأ، پیوند شیمیایی و الگوریتم های نرم افزاری به طور مستقیم از کار پیش گام و پیشرفته ی لایگو مشتق شده است. درواقع، این ها اسپین آف هایی هستند که به لطف لایگو متولد شده اند.

...
نویسنده : بازدید : 3 تاريخ : جمعه 14 دی 1397 ساعت: 10:24