Naprawienie usterki w wielomilionowym projekcie naukowym zwykle wymaga wydania kolejnych milionów dolarów lub wynalezienia czegoś zupełnie nowego.
Ale tym razem wszystko było inne.
Naukowcy pracujący nad projektem Obserwatoria fal grawitacyjnych z interferometrem laserowym (LIGO) znaleźli rozwiązanie długotrwałego problemu inżynieryjnego za pomocą przedmiotu, który można kupić online. Konwencjonalna, masowo produkowana kamera termowizyjna.
Brzmi to zbyt prosto dla układu zaprojektowanego do wykrywania zmarszczek w czasoprzestrzeni spowodowanych zderzeniami czarnych dziur. Ale właśnie tego dokonał zespół kierowany przez Jonathana Richardsona z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.
Jak kamery termowizyjne korygują zniekształcenia lustrzane w LIGO
LIGO „nasłuchuje” najbardziej gwałtownych wydarzeń we Wszechświecie. Kiedy dwie czarne dziury zderzają się, wysyłają fale uderzeniowe w czasoprzestrzeni. Te fale grawitacyjne przemieszczają się przez Ziemię, rozciągając i ściskając samą przestrzeń na mikroskopijne odległości.
Wewnątrz bliźniaczych kompleksów LIGO w kształcie litery L w stanie Waszyngton i Luizjana wiązki laserowe przemieszczają się przez tunele o długości 4,5 km. Odbijają się od luster o takiej doskonałości, że odbijają 99,9997% padającego na nie światła. Czystość tych luster jest oszałamiająca: należą one do najlepszych elementów optycznych, jakie kiedykolwiek stworzyła ludzkość.
Ale doskonałość ma swoją cenę. Nawet najlepsze lustra pochłaniają niewielki ułamek energii lasera. Energia ta zamienia się w ciepło.
Ciepło zagina powierzchnię lustra o zaledwie kilka nanometrów. Jest to zniekształcenie mikroskopijne, ale zniekształca wiązkę lasera. Ogranicza to odległość, jaką LIGO może „widzieć”. Albo, dokładniej, jak daleko „słyszy”.
Zespół Richardsona połączył komercyjne kamery termowizyjne z modelami komputerowymi. Stworzyli mapę zniekształceń termicznych na zwierciadłach. Wyobraź sobie, że diagnozujesz silnik samochodu poprzez skanowanie jego temperatury: widzisz gorące punkty na zewnątrz i wnioskujesz, co dzieje się w środku.
Dzięki tej mapie fizycy mogą skierować ciepło na tył lustra. Zapobiega to deformacjom. Wiązka lasera pozostaje czysta, a czułość wzrasta.
„Nie wymaga to rozwoju nowych technologii, co jest prawie niespotykane, aby rozwiązać problem z instrumentami LIGO.”
Dlaczego to ulepszenie zwiększa zasięg LIGO o 33 miliony lat świetlnych
Dlaczego lustra działają lepiej?
Przestrzeń jest trójwymiarowa. Kiedy zwiększysz swój zasięg w jednym kierunku, wolumen nadzoru rośnie wykładniczo.
Rozwiązanie Richardsona zwiększa efektywny zasięg LIGO o około 33 miliony lat świetlnych.
Liczba ta może wydawać się niewielka w porównaniu ze skalą przestrzeni. Ale pod względem danych? To ogromny skok. Nieco większe okno oznacza znacznie większą liczbę zdarzeń do wykrycia. Astronomowie będą w stanie wykryć więcej łączenia się czarnych dziur i zderzeń gwiazd neutronowych. Wszechświat staje się głośniejszy.
To nie jest tylko łatka na istniejący sprzęt. To jest plan na przyszłość.
Ta technika jest już uwzględniona w projekcie Cosmic Explorer. Planuje się, że obserwatorium nowej generacji zacznie działać do połowy lat 30. XX wieku. Jego ramiona będą miały długość 40 km – dziesięć razy dłuższe niż ramiona LIGO.
Podczas gdy rozwiązanie LIGO dodaje głębi, Cosmic Explorer ma na celu zwiększenie ogólnej czułości dziesięciokrotnie. Głównym wrogiem jest nie tylko upał. To jest szum kwantowy. Fundamentalna niejasność fizyki, która ogranicza dokładność pomiarów. Pierwszym krokiem jest jednak kontrolowanie zniekształceń termicznych.
Czy technologia komercyjna jest bardziej odpowiednia dla wrażliwych instrumentów naukowych?
Zwykłe życie ma swój urok. Standardowa kamera termowizyjna kosztuje grosze w porównaniu z budżetami na badania i rozwój. Jest dostępny i sprawdzony.
Zależność LIGO od gotowego sprzętu wywraca do góry nogami pojęcie elitarności zaawansowanych technologii. Czasami najlepszym narzędziem nie jest to, które zbudowano od podstaw w laboratorium. I ten, który już stoi na półce.
Rozwiązanie jest gotowe. Będzie to część następnego cyklu aktualizacji LIGO, a następnie zostanie zaimplementowane w Cosmic Explorer.
Lustra są jeszcze ciepłe. Dane wciąż napływają. Ale teraz wiemy, gdzie szukać ciepła. A kiedy zobaczysz zniekształcenie, możesz je skorygować.
Pozostaje jedno pytanie. Jakie jeszcze kosmiczne tajemnice kryją się za szumem termicznym?
