Oprava závady v mnohamilionovém vědeckém projektu obvykle vyžaduje další miliony dolarů ve výdajích nebo vynalézání něčeho zcela nového.
Jenže tentokrát bylo všechno jinak.
Vědci pracující na projektu Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (LIGO) našli řešení dlouhotrvajícího inženýrského problému s položkou, kterou lze zakoupit online. Konvenční sériově vyráběná termokamera.
To zní příliš jednoduše pro nastavení navržené k detekci vlnění v časoprostoru způsobeného kolizemi černých děr. Přesně to ale udělal tým vedený Jonathanem Richardsonem z Kalifornské univerzity v Riverside.
Jak termokamery opravují zrcadlové zkreslení v LIGO
LIGO „naslouchá“ nejnásilnějším událostem ve vesmíru. Když se dvě černé díry srazí, vysílají rázové vlny prostoročasem. Tyto gravitační vlny procházejí Zemí a roztahují a stlačují samotný prostor na mikroskopické vzdálenosti.
Uvnitř dvojitých komplexů LIGO ve tvaru písmene L ve státě Washington a Louisiana procházejí laserové paprsky 3,5 km dlouhými tunely. Odrážejí se od zrcadel takové dokonalosti, že odrážejí 99,9997 % světla, které na ně dopadá. Čistota těchto zrcadel je ohromující: patří mezi nejlepší optické komponenty, jaké kdy lidstvo vytvořilo.
Ale dokonalost má svou cenu. I ta nejlepší zrcadla absorbují nepatrný zlomek laserové energie. Tato energie se mění v teplo.
Teplo ohne povrch zrcadla jen o několik nanometrů. Jedná se o mikroskopické zkreslení, které však zkresluje laserový paprsek. To omezuje, jak daleko může LIGO „vidět“. Nebo přesněji, jak daleko může „slyšet“.
Richardsonův tým spojil komerční termokamery s počítačovými modely. Na zrcadlech vytvořili mapu tepelných deformací. Představte si diagnostiku motoru auta skenováním jeho teploty: vidíte horká místa na vnější straně a usuzujete, co se děje uvnitř.
S touto mapou mohou fyzici aplikovat cílené teplo na zadní stranu zrcadla. To působí proti deformaci. Laserový paprsek zůstává čistý a citlivost se zvyšuje.
„To nevyžaduje vývoj nových technologií, což je pro vyřešení problému s nástroji LIGO téměř neslýchané.“
Proč toto vylepšení prodlužuje dosah LIGO o 33 milionů světelných let
Proč zrcadla fungují lépe?
Prostor je trojrozměrný. Když zvýšíte svůj dosah jedním směrem, objem sledování roste exponenciálně.
Řešení Richardson zvyšuje efektivní dosah LIGO o přibližně 33 milionů světelných let.
Toto číslo se může zdát malé ve srovnání s měřítkem prostoru. Ale z hlediska dat? To je obrovský skok. O něco větší okno znamená mnohem více událostí, které je třeba detekovat. Astronomové budou schopni detekovat více sloučení černých děr a více srážek neutronových hvězd. Vesmír se stává hlasitějším.
Nejedná se pouze o opravu stávajícího hardwaru. Toto je plán budoucnosti.
Tato technika je již začleněna do návrhu Cosmic Explorer. Tato observatoř nové generace má být uvedena do provozu v polovině 30. let 20. století. Jeho ramena budou 25 mil dlouhá – desetkrát delší než ramena LIGO.
Zatímco řešení LIGO přidává hloubku, Cosmic Explorer si klade za cíl zvýšit celkovou citlivost desetkrát. Hlavním nepřítelem tam není jen teplo. Toto je kvantový šum. Základní fuzzy fyziky, který omezuje přesnost měření. Ale kontrola tepelného zkreslení je prvním krokem.
Je komerční technologie vhodnější pro citlivé vědecké přístroje?
Obyčejný život má své kouzlo. Standardní termokamera stojí v porovnání s rozpočty na výzkum a vývoj haléře. Je dostupný a ověřený.
Závislost LIGO na běžně dostupném hardwaru převrací představu o high-tech elitářství. Někdy není nejlepším nástrojem ten, který byl v laboratoři postaven od začátku. A ten, který už je na poličce.
Řešení je připraveno. Bude součástí příštího cyklu upgradu LIGO a poté bude implementován do Cosmic Explorer.
Zrcátka jsou ještě teplá. Data stále přicházejí. Teď už ale víme, kde hledat teplo. A jakmile uvidíte zkreslení, můžete to opravit.
Zůstává jedna otázka. Jaká další vesmírná tajemství se skrývají za tepelným šumem?
