LIGO

A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) egy lézer interferométerrel gravitációs hullámok megfigyelését végző csillagászati obszervatórium, mely a gra­vi­tá­ci­ós hul­lá­mok el­ső köz­vet­len ész­le­lé­sét tűzte ki célul. A Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) és az Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) közös projektje, melyet 1992-ben Kip Thorne (Caltech), Ronald Drever (Caltech) és Rainer Weiss (MIT) alapított a National Science Foundation (NSF) támogatásával. Költsége 365 millió $ (USD 2002-ben), mely az NSF legjelentősebb beruházása. Körülbelül 40 intézet 600 kutatójából álló nemzetközi tudományos együttműködés, LIGO Scientific Collaboration (LSC) keretében végzik a LIGO és egyéb detektorok adatainak kiértékelését. A kutatásban több magyar csoport is részt vett. A New York-i Columbia Egyetemen Márka Szabolcs, Márka Zsuzsa és Bartos Imre csoportja, hazánkból az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) vezetőjének Frei Zsoltnak a kezdeményezésére alakult csoport. A LIGO két különálló, de egy obszervatóriumként működtetett létesítményből áll egymástól 3000 kilométerre, mindkettő az Amerikai Egyesült Államok területén található, az egyik Hanfordban, Washington államban, a másik Livingstonban, Louisiana államban. A műszerek merőleges karjai négy kilométer hosszúak. A karok belsejében egy 1 méter átmérőjű cső fut, a csőben mesterségesen előállított vákuum van, amely a legerősebb vákuum, amit valaha előállítottak a Földön. A karok két végén egy-egy tükör van, a vákuumban pedig a tükrök között egy rendkívül erős lézernyaláb pattog ide-oda 400-szor. Erre a módszerre azért van szükség, mert ezáltal a karok hosszát meg tudják sokszorozni. Az obszervatórium használatával 2015. szeptember 14-én a gyakorlatban is ki tudták mutatni a gravitációs hullámokat, amit két összeolvadó fekete lyuk keltett. Az adatok feldolgozása után 2016. február 11-én Washingtonban bejelentették, hogy közvetlen bizonyítékot találtak két fe­ke­te lyuk össze­ol­va­dá­sa ré­vén a tér­idő gör­bü­le­té­nek hul­lám­sze­rű­en ter­je­dő meg­vál­to­zá­sá­ra. Ezzel a felfedezéssel új fejezet nyílik a fizika történetében, melyben magyar kutatók csoportjai is nagy szerepet játszanak. A két obszervatórium Mivel a gravitációs hullámok fénysebességgel terjednek, emiatt a két létesítmény közötti távolság megfelel egy 1 milliszekundumos időeltolódásnak a hullámok megérkezésénél. Ez az időintervallum segít meghatározni a hullám forrását. Mivel Európában is létesítettek egy Virgo nevű interferométert, neki köszönhetően még pontosabban meg lehet határozni a hullámok forrását. Mindkét laboratórium fenntart egy L alakú vákuumrendszert, 4 km hosszan (Fabry-Pérot-üreg). Oldalanként mintegy 5 interferométer állítható fel egy vákuumrendszerben. Az interferométert 2004-ben sikeresen továbbfejlesztették, hozzáadva a hullámszigetelést, amit aktuátorokkal oldottak meg. Ennek köszönhetően kiküszöbölték a mikro-szeizmikus rezgéseket, illetve a mesterséges zajokat (pl. városok, tömegközlekedés). "Advanced LIGO" A berendezés elsődlegesen a Michelson interferométeren alapszik, ami a két 4 km hosszúságú, Gires-Tournois elaton karból áll. A lézerforrás egy 20 W-os lézersugarat bocsát ki, mely áthalad egy "energia-újrahasznosító tükörrendszeren" ("power recycling mirror"). Ez a szerkezet segít a mérés pontosításában, kiszűri a foton kibocsátásakor keletkezett zajokat ("shot-noise"), ami jelentős mennyiségben keletkezik 300 Hz fölött. A tükör teljes mértékben átengedi a lézernyalábot, és tökéletesen visszaveri azt, megközelítőleg 280-szor, megnövelve a fény intenzitását 700 W-ra. Ezek után a fénynyaláb átjut a félig áteresztő tükrön, amely két, egymásra merőleges irányra osztja. A hatékonyság érdekében a fény továbbhaladása egy Fabry-Pérot üregben történik. Ebben a fény intenzitása eléri a 100 kW-ot. Amikor egy gravitációs hullám áthalad az interferométeren, a téridő átalakul. Annak függvényében, hogy honnan érkezik a hullám, a lézernyaláb hullámhossza megváltozik az egyik üregben, vagy akár mindkettőben. A hullámhossz változásának köszönhetően, mikor a fény visszaérkezik a detektorhoz, interferál a másik lézernyalábbal, s ez egy periodikusan halványuló, illetve erősödő képet fog eredményezni, ami már mérhető jel. Miután mindkét lézernyaláb megtette az üregekben az útját, egymásra rakódnak azon a félig áteresztő tükrön, ami szétválasztotta őket. Alaphelyzetben a lézernyalábok interferálnak egymással, kioltva egymást, így a detektorba csak akkor érkezik fényjel, amikor már megtörtént a fáziseltolódás, vagyis átalakult a téridő. Jegyzetek Források Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO Gravitációs hullámok: egyszerre három világraszóló felfedezés a fizikában Shot Noise in Gravitational-Wave Detectors with Fabry-Perot Arms, by T.T. Lyons, M.W. Regehr, F. J. Raab (LIGO Project, Caltech) Power recycling for an interferometric gravitational wave detector, Masaki Ando, University of Tokyo, December 1998 Külső hivatkozások Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction , 2016. február 11. Két összeolvadó fekete lyuk hangja, 2016. február 11.