COLUMBUS, Ohio - gravitacijski detektor valova dugačak 2,5 milje nije cool. Znate što je cool? Detektor gravitacijskog vala dug 25 milja.
To je rezime niza razgovora danih ovdje u subotu (14. travnja), na travnjačkom sastanku Američkog fizičkog društva. Sljedeća generacija detektora gravitacijskog vala zavirit će točno do vanjskog ruba promatranog svemira, tražeći pukotine u samoj tkanini prostora-vremena, za koje je Einstein predvidio da će se pojaviti kada se masivni objekti poput crnih rupa sudaraju. Ali još uvijek postoje značajni izazovi na putu njihove izgradnje, prisutni su poručili prisutnima.
"Sadašnji detektori za koje mislite da su vrlo osjetljivi", rekao je publici Matthew Evans, fizičar na MIT-u. "I to je točno, ali oni su ujedno i najmanje osjetljivi detektori pomoću kojih možete detektirati gravitacijske valove."
Trenutni detektori, naravno, nemaju se na što šaliti. Kada je opservatorij gravitacijskog vala s laserskim interferometrom (2,5 kilometra) dugačak 2,5 kilometra prvi put otkrio kako prostor-vrijeme raste i smanjuje se 2015. godine - gravitacijski odjek star 1,3 milijuna milijardi godina, sudar dviju crnih rupa - dokazao je postojanje ogromnih, nevidljivih gravitacijskih valova koji su nekada bili u potpunosti teoretski i doveli su u samo dvije godine do Nobelove nagrade za tvorce LIGO-a.
Ali LIGO i njegov rođak, talijanski instrument Djevica, dugačak 1,9 kilometara, u osnovi su ograničeni, rekli su govornici. Oba su detektora stvarno sposobna primijetiti gravitacijske valove s objekata koji su relativno blizu Zemlje na ljestvici cijelog svemira, rekao je fizičar MIT Salvatore Vitale. Oni su također ograničeni u vrstama objekata koje mogu detektirati.
Dosad su postojala samo dva glavna rezultata trenutne generacije interferometra: detekcija spajanja crne rupe u 2015. i detekcija dviju neutronskih zvijezda iz kolovoza 2017. (također vruća tema na konferenciji). Otkriveno je još nekoliko sudara u crnoj rupi, ali oni nisu ponudili mnogo na zapanjujućih rezultata na prvom mjestu otkrivanja.
Izgradite povećane, preciznije LIGO-e i Djevice ili drugu vrstu detektora velikih razmjera nazvanih "Einstein teleskop", rekao je Evans, a stopa otkrivanja valova mogla bi skočiti s jednog na nekoliko mjeseci na više od 1 milijun svake godine ,
"Kad kažem da nas ovi detektori izvode na rub svemira, mislim da mogu otkriti gotovo svaki binarni sustav koji se spaja", rekao je, odnoseći se na parove zvijezda, crne rupe i neutronske zvijezde koje se sudaraju.
To znači mogućnost otkrivanja crnih rupa iz vrlo ranih godina svemira, ispitivanje dubokih misterija gravitacije, pa čak i potencijalnog otkrivanja, po prvi put, gravitacijskih valova zvijezde koja ide u supernovu i urušava se u neutronsku zvijezdu ili crnu rupu ,
Veće je bolje
Pa zašto veći detektori dovode do osjetljivijih pretraga gravitacijskih valova? Da biste to razumjeli, morate razumjeti kako ti detektori rade.
LIGO i Djevica su, kao što je Live Science ranije objavio, u osnovi divovski vladari u obliku slova L. Dva tunela se odvajaju pod pravim kutom jedan od drugog, koristeći lasere za izradu izuzetno preciznih mjerenja duljine tunela u trenutak. Kad gravitacijski val prođe kroz detektor, pomičući sam prostor, ta se duljina mijenja sitno. Ono što je nekada bilo kilometar, postaje, nakratko, nešto manje od kilometraže. A laser, prelazeći tu kraću udaljenost malo brže, pokazuje da se promjena promijenila.
Ali postoji ograničenje koliko ta mjera može biti u redu. Većina valova mlati laser previše lagano da bi ih interferometri mogli primijetiti. Poboljšanje tehnologije otkrivanja u postojećim tunelima LIGO i Djevica može donekle poboljšati stvari, rekao je Evans, a postoje planovi za to. Ali kako bi stvarno pojačali signal, rekao je, jedina je mogućnost ići mnogo veći.
Sljedeći je korak detektor u obliku slova L, 40-km dugim ručicama, 40 puta većim od LIGO-a, rekao je Evans. Prijedlog je nazvao "kozmičkim istraživačem". Bio bi dovoljno velik da otkrije gotovo sve što bi detektor gravitacijskog vala mogao otkriti, rekao je, ali ne toliko velik da se fizika u podlozi počne raspadati ili troškovi postaju neizdrživo visoki, čak i za ovu vrstu skupocjene skupe znanosti projekt. (Konačni trošak LIGO-a kretao se u stotinama milijuna dolara.)
Pa zašto detektor te veličine, umjesto dvostruko ili 10 puta veće?
U određenom trenutku, dugačkom 40 km (40 km), rekao je Evans, svjetlo traje toliko dugo da se kreće s jednog kraja tunela na drugi da eksperiment može postati nejasan, a rezultati daju manje precizne nego više.
Bar su troškovi bar izazovni. LIGO i Djevica su dovoljno mali da zakrivljenost Zemlje nije predstavljala značajan građevinski izazov, rekao je Evans. Ali, 40 km (40 km) po ruci, stavljanje krajeva svakog tunela u razinu tla znači da središta tunela moraju biti 98,43 metra pod zemljom (pod pretpostavkom da je tlo savršeno ravno).
"Preko 40 kilometara," rekao je Evans, "udaljenost od prljavštine počinje preuzimati troškove."
Tu je i osnovni problem pronalaska ravnog praznog prostora dovoljno velikog da se napravi tako veliki detektor. Evans je rekao da u Europi zapravo nigdje nije dovoljno veliko, a u SAD-u su mogućnosti ograničene na područje Velikog slanog jezera u Utahu i pustinju Crne stijene u Nevadi.
Ti svemirski izazovi pokreću alternativni dizajn masivnog gravitacijskog detektora valova, nazvan Einstein teleskop. Dok je oblik L najbolji način za mjerenje gravitacijskog vala, rekao je Evans, trokut s tri tunela i višestrukim detektorima može učiniti gotovo dobar posao dok zauzima mnogo manji prostor, idealan za zemljopisna ograničenja.
Ovi detektori još su 15 do 20 godina od dovršetka, rekao je Vitale, a sva tehnologija potrebna za njihovo izgradnju još nije pronađena. Ipak, i on i Evans okupljenim su znanstvenicima rekli da je "vrijeme" da počnu raditi na njima. Već je, rekao je Vitale, osam radnih skupina koje pripremaju izvješće o znanstvenom opravdanju tako masivnih uređaja, koje bi trebalo izaći u prosincu 2018. godine.
Jedan od članova publike pitao je Evansa ima li smisla graditi, recimo, detektor dug 8 kilometara (8 km), dok je istinski Cosmic Explorer ili full-scale Einstein teleskop ostao udaljen više od desetljeća.
Da je u odboru za financiranje, ne bi odobrio takav projekt, jer znanstveni dokazi od udvostručenja veličine LIGO-a jednostavno nisu tako veliki, rekao je Evans. Tek su na gornjim granicama veličine tunela troškovi takvog projekta opravdani, dodao je.
"Osim ako nisam znao da iz nekog razloga, to jednostavno ne vrijedi", rekao je.
Ipak, rekao je Vitale, to ne znači da znanstvenici moraju čekati 15 do 20 godina na sljedeću veliku fazu rezultata gravitacijskog vala. Budući da se više detektora na trenutnoj ljestvici pojavljuje na mreži, uključujući Detektor gravitacijskog vala Kamioka veličine Kvarno (KAGRA) u Japanu i LIGO veličine Indije veličine LIGO, a kako se postojeći detektori poboljšavaju, istraživači će imati priliku mjeriti pojedinačne gravitacijske valove iz više uglova odjednom, omogućujući više otkrivanja i detaljnije zaključke odakle dolaze.
