LIGO: Laserinterferometeret og opdagelsen af gravitationsbølger

Opdag LIGO: Hvordan laserinterferometre (Caltech/MIT, NSF) afslørede gravitationsbølger — teknologi, opdagelse og betydning for moderne kosmologi.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) er et stort fysikobservatorium, der registrerer kosmiske gravitationsbølger, og som er medstifter af den skotske fysiker Ronald Drever. De blev først finansieret af National Science Foundation (NSF) og blev udtænkt, bygget og drives af Caltech og MIT. NSF har finansieret forbedringer af LIGO for at øge følsomheden, hvilket gjorde det muligt for dem at foretage den første påvisning af gravitationsbølger. LIGO er det største og mest ambitiøse projekt, der nogensinde er blevet finansieret af NSF.

Hvordan LIGO virker

LIGO er et interferometer baseret på Michelson-princippet. En kraftig laserstråle sendes ind i et kammer og deles op i to stråler, der føres ud langs to lange, vinkelrette armkaver. I hver arm reflekteres laserlyset mange gange mellem spejle (ofte med Fabry–Pérot-kaviteter) for at øge den effektive stræklængde, før det sendes tilbage og genforenes. Spejlene sender dem tilbage mod en lysdetektor, der måler interferensmønstret. Normalt annullerer de to stråler hinanden, så næsten intet lys når detektoren, men en forstyrrelse i rumtiden forårsaget af tyngdebølger ændrer den relative fase mellem strålerne. Når dette sker, vil lysdetektoren registrere en ændring i intensitet, som kan bruges til at beregne størrelsen af rumtidsforvrængningen.

Teknisk opbygning og støjdæmpning

De to hovedfaciliteter i LIGO ligger i Hanford (Washington) og Livingston (Louisiana) i USA; hver har form af et L med arme på 4 km. For at nå den ekstreme følsomhed kræver LIGO:

• Meget stabile og kraftige lasere for at reducere kvanteshøjspuljesstøj (shot noise).
• Højkvalitetspejle ophængt i avancerede vibrationsdæmpede suspensioner for at minimere seismisk og termisk støj.
• Vakumrør i armene for at eliminere luftforstyrrelser.
• Resonante kaviteter (Fabry–Pérot) og recycling-teknikker (power- og signal-recycling) for at øge effekten og følsomheden.
• Avancerede støjreducerende metoder såsom aktiv seismisk isolation, kontrolsystemer og brug af sammenpresset lys (squeezed light) for at undertrykke kvantestøj.

De vigtigste støjkilder er seismisk støj ved lave frekvenser, termisk støj i ophæng og spejlmaterialer samt kvantestøj (shot noise og radiation pressure) ved høje og lave frekvenser. Kombinationen af tekniske forbedringer og dataanalyse gør det muligt at skelne faktiske signaler fra støj.

Opgraderinger og opdagelser

• Advanced LIGO: En betydelig opgradering, finansieret af NSF, som øgede følsomheden markant og gjorde første direkte detektion mulig.
• Første påvisning (GW150914): Den 14. september 2015 registrerede LIGO et signal fra en sammensmeltning af to sorte huller — den første direkte observation af gravitationsbølger. Dette var et gennembrud for astronomi og fysik.
• GW170817 og multimessenger-astronomi: I august 2017 målte LIGO sammen med Virgo en sammensmeltning af to neutronstjerner, som også blev observeret i elektromagnetisk stråling. Det bekræftede teorier om kilde til kortvarige gammaudbrud og gav mulighed for at måle kosmologiske parametre som Hubble-konstanten med en ny metode.
• Nobelprisen i fysik 2017: Prisen blev tildelt Rainer Weiss, Barry C. Barish og Kip S. Thorne for deres afgørende bidrag til LIGO og detektion af gravitationsbølger.

Videnskabelig betydning

LIGO har åbnet et nyt observationsvindue til universet. Gravitionsbølgeobservationer giver:

• Direkte målinger af stærk-gravitationsfelt-dynamik (f.eks. sorte huller og neutronstjerne-kollisioner).
• Mulighed for at teste Generel Relativitet i ekstreme forhold.
• Ny information om stjerners livscyklus, sorte hullers befolkning, og nukleosyntese (produktion af tunge grundstoffer ved neutronstjerne-mergere).
• Multimessenger-astronomi i samarbejde med elektromagnetiske og neutrino-observatorier.

Samarbejde og fremtid

LIGO arbejder i et globalt netværk med andre gravitationsbølgeobservatorier som Virgo (Europa), KAGRA (Japan) og GEO600 (Tyskland/UK). Flere instrumenter forbedrer kildeplaceringsevnen og øger tilliden til signaler. Fremtidige forbedringer omfatter øget lasereffekt, forbedrede spejlematerialer, bedre kvantekontrol (mere squeezing) og nye designkonsepter for at skubbe følsomheden yderligere ned, så svagere eller fjernere signaler kan detekteres.

Data og forskningstilgængelighed

LIGO samarbejdet offentliggør data og videnskabelige resultater via peer-reviewed artikler og databaser. En betydelig del af dataene bliver frigivet til offentligheden gennem LIGO Open Science Center, hvilket muliggør uafhængig forskning, undervisning og outreach.

Samlet set har LIGO forandret vores forståelse af universet ved at give et nyt redskab til at studere kosmiske begivenheder, som ikke kunne ses med traditionelle teleskoper. Fortsat teknologisk udvikling og internationalt samarbejde vil udvide denne nye gren af astronomien de kommende år.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er Laser Interferometer Gravitationsbølgeobservatoriet (LIGO)?

Sp: Hvem finansierede det oprindelige LIGO-projekt?

Spørgsmål: Hvordan har forbedringer af LIGO øget dens følsomhed?

Spørgsmål: Hvad er et interferometer?

Spørgsmål: Hvordan påvirker ændringer i rumtiden laserstrålerne i et interferometer?

Spørgsmål: Hvad var LIGO's mest ambitiøse projekt, der nogensinde er blevet finansieret af NSF?

Søg efter bogstav