عندما يندمج ثقبان أسودان ، يطلقان كمية هائلة من الطاقة. عندما اكتشف LIGO أول اندماج للثقب الأسود في عام 2015 ، وجدنا أنه تم إطلاق ثلاث كتل شمسية من الطاقة على شكل موجات ثقالية. لكن موجات الجاذبية لا تتفاعل بقوة مع المادة. إن تأثيرات موجات الجاذبية صغيرة جدًا لدرجة أنك تحتاج إلى أن تكون كذلك قريب للغاية من الاندماج ليشعروا بها. فكيف يمكننا رصد موجات الجاذبية للثقوب السوداء المندمجة عبر ملايين السنين الضوئية؟
إنه أمر يبعث على السخرية. موجات الجاذبية هي تموجات في بنية الزمكان. عندما تمر موجة الجاذبية عبر جسم ما ، فإن المواضع النسبية للجسيمات في الجسم تتغير قليلاً ، ومن خلال تلك التحولات فقط يمكننا اكتشاف موجات الجاذبية. لكن هذا التحول ضئيل. يقيس LIGO التحول عن طريق أزواج من المرايا التي تفصل بينهما 4 كيلومترات. عندما تمر موجة جاذبية قوية ليجو ، فإن المرايا تتحرك فقط ببضعة آلاف من عرض البروتون.
رسم تخطيطي يوضح كيفية عمل LIGO. الائتمان: يوهان جارنستاد / الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم
يقيس LIGO هذه المسافة من خلال عملية تعرف باسم قياس التداخل بالليزر. للضوء خصائص تشبه الموجة ، لذلك عندما يتداخل شعاعا من الضوء ، يتحدان مثل الموجات. إذا اصطفت موجات الضوء ، أو كانت 'في طور' ، فإنها تتراكب لتصبح أكثر سطوعًا. إذا كانت خارج المرحلة ، فإنها تلغي وتصبح باهتة. لذا يبدأ LIGO بشعاع من الضوء يكون في طور ، ويقسمه ، ويرسل شعاعًا واحدًا على طول ذراع LIGO ، والآخر على طول الآخر. ترتد كل شعاع من مرآة على بعد 4 كيلومترات ، ثم تعود لتتحد في شعاع واحد يراه الكاشف. إذا تغيرت مسافة المرآة ، يتغير سطوع الضوء المشترك أيضًا.
الطول الموجي للضوء في حدود الميكرومتر ، لكن موجات الجاذبية تحرك المرايا بمقدار تريليون فقط من تلك المسافة. لذا فإن كل شعاع من LIGO يتحرك ذهابًا وإيابًا على طول الذراع مئات المرات قبل أن يتحدوا. يؤدي هذا إلى زيادة حساسية LIGO بشكل كبير ، ولكنه يثير أيضًا مشكلات أخرى.
مرايا LIGO قيد التطوير. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا / LIGO Lab
للعمل ، يجب عزل مرايا LIGO عن أي اهتزازات خلفية من الأرض والأدوات القريبة. لتحقيق ذلك ، يتم تعليق صفائف المرآة بخيوط رقيقة من الزجاج. يحتاج النظام بأكمله أيضًا إلى وضعه في فراغ. الكاشف حساس جدًا لدرجة أن جزيئات الهواء التي تمر عبر حزم الضوء يتم التقاطها كضوضاء. ضغط الهواء داخل حجرة LIGO المفرغة أقل من تريليون من الغلاف الجوي ، وهو أقل من الفضاء بين المجرات.
وفقًا لحدود الهندسة البشرية ، فإن نظام LIGO هو نظام فراغ معزول حيث الشيء الوحيد الذي يمكنه تحريك المرايا هو الجاذبية نفسها. إنها ليست مثالية ، لكنها جيدة جدًا. من الجيد أن الأشياء تبدأ في أن تصبح غريبة. حتى لو كان الكاشف معزولًا تمامًا ، وتم وضعه في فراغ مثالي ، فإن الكاشفات ستستمر في التقاط الضوضاء. النظام حساس للغاية بحيث يمكنه التقاط التقلبات الكمية في الفضاء الفارغ.
من الخصائص المركزية للأنظمة الكمومية أنه لا يمكن تحديدها بالكامل. إنه جزء من مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. هذا صحيح حتى بالنسبة للفراغ. هذا يعني أن التقلبات الكمية تظهر داخل الفراغ. بينما تنتقل فوتونات الضوء عبر هذه التقلبات ، فإنها تتدافع قليلاً. هذا يجعل أشعة الضوء تتحرك قليلاً خارج الطور. تخيل أسطولًا من القوارب الصغيرة تبحر عبر بحر هائج ، ومدى صعوبة الاحتفاظ بها معًا.
لقطة مقرّبة لعصارة LIGO الكمومية. الائتمان: ماجي تسي
لكن عدم اليقين الكمي شيء مضحك. على الرغم من أن جوانب النظام الكمي ستكون دائمًا غير مؤكدة ، إلا أن أجزاء منه يمكن أن تكون دقيقة للغاية. المهم هو أنك إذا جعلت جزءًا أكثر دقة ، يصبح الجزء الآخر أقل دقة. بالنسبة للضوء ، هذا يعني أنه يمكنك الحفاظ على طور الشعاع أكثر محاذاة عن طريق جعل سطوع الضوء أكثر وضوحًا. يُعرف هذا بالضوء المضغوط لأنك تقوم بضغط عدم يقين واحد على حساب الآخر.
رسم متحرك يظهر حالة مضغوطة من الضوء. الائتمان: مستخدم ويكيبيديا Geek3
تتم هذه الحالة المضغوطة من الضوء من خلال مذبذب حدودي بصري. إنها في الأساس مجموعة من المرايا حول نوع خاص من الكريستال. عندما يمر الضوء عبر البلورة ، فإنه يقلل من التقلبات في الطور. تزداد تقلبات السعة بشكل أكبر ، لكن المرحلة هي الأكثر أهمية لكاشفات LIGO.
مع هذه الترقية ، يجب أن تتضاعف حساسية LIGO. سيساعد هذا علماء الفلك على رؤية عمليات اندماج الثقوب السوداء بشكل أكثر وضوحًا. يمكن أن يسمح أيضًا لـ LIGO برؤية أنواع جديدة من عمليات الدمج. تلك التي هي أخف أو أبعد مما رأيناه من قبل.
مصدر: أداة جديدة توسع نطاق LIGO ، أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.