Vakuumteknik gör det möjligt att upptäcka gravitationsvågor

Fyndläge i verkstadsjätten | Börslunch 23 november (Maj 2019).

Anonim

Du märkte nog inte gravitationsvågen som förökades genom jorden tidigt på morgonen den 4 januari 2017, men tack vare en sofistikerad användning av vakuumteknik, ett par extremt känsliga laserinterferometrar, en i Washington State och den andra i Louisiana upptäckte den svaga rynken från två kolliderande svarta hål ca 3 miljarder ljusår bort.

I en presentation under AVS 64: e internationella symposium och utställning, hålls 31 oktober-november. 2, 2017, i Tampa, Florida, astrofysiker Rai Weiss (som tillsammans med två andra tilldelades Nobelpriset 2017 i fysik) och Michael Zucker från Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som drivs av Caltech och Massachusetts Institute of Technology, beskriver hur LIGO-forskare och ingenjörer konstruerade och konstruerade LIGOs geniala, ultrahöga vakuumsystem. Systemet är en integrerad del av det som gör det möjligt att identifiera gravitationella vågor, minsta snedvridningar i tyget av utrymme och tid som sprider sig vid ljusets hastighet.

"Gravitationsvågorna som genereras av accelerationen av ett par svarta hål rör sig utåt som vågor i en damm, " sade Weiss. "Förvrängningarna av det utrymme de inducerar blir svagare omvänd proportionellt mot deras avstånd från källan, så vågor som reser miljarder av ljusår till jorden kan endast detekteras om man kan mäta ett avstånd på 10 ^ -18 meter -1 / 10 000: e bredden på ett proton-vilket är den lilla summan av vår interferometer s speglar flyttas av en passande våg. "

För att uppnå Herculean-uppgiften, förklarade Weiss, speglarna är upphängda i båda ändarna av LIGO-interferometerns två 4 kilometer långa armar. Speglarna bildar en optisk kavitet där ljus kan studsa fram och tillbaka längs armarna många gånger. En laserstråle sänds genom en splitter vid korsningen av armarna och skiljer ljuset i två strålar. De optiska kaviteterna reflekterar strålarna tillbaka till splitteren där de sammanfogas till en enda enhet, som då slår en fotodetektor.

"Om de splittrade strålarna har rest i samma avstånd i båda optiska kaviteterna, kommer de två strålarna att" förstör varandra ", det vill säga avbryta varandra vid fotodetektorn, sade Zucker. "Men om armlängden förändras så att en stråle spenderar mer tid i sin hålighet medan den andra strålen spenderar mindre tid i den andra. Eftersom de kommer en liten bit när en gravitationsvåg passerar genom systemet, avbryts inte ljusvågorna och lite ljus är inspelat på fotodetektorn. "

Så, hur spelar vakuumtekniken roll för att detta ska ske? Weiss sade att molekyler av vilken gas som helst som finns i interferometerarmarna skulle kunna sprida laserljuset eller producera ett dominerande ljud som skulle maskera små tidsförändringar i strålarna på grund av gravitationella vågor. Drift i vakuum eliminerar dessa problem, liksom den extra risken för termiskt genererade gasmolekyler som orsakar fluktuationer i hålrummets längd.

Den skrämmande uppgiften för LIGO-laget, sade Zucker, var att designa och konstruera ett effektivt men ändå ekonomiskt system som skulle kunna uppnå det extrema vakuum som behövs för interferometern: 100 nanopascals, en biljon av en atmosfär och motsvarande närvaron av tryck i låg jordbana.

I sin presentation kommer Weiss och Zucker att fokusera på den grundläggande fysik och ingenjörskunskap som krävs för att bygga och driva världens näst största ultraljudsugsystem, möta utmaningar som 40 dagar med konstant "pumpdown" för att uppnå optimalt arbetstryck, 30 dagar av uppvärmning av rören (armar) för att driva ut resterande gaser och 24/7 drift och övervakning av jonpumpar och flytande kvävekryoppumpar som håller LIGO-interferometern fri från föroreningar.

menu
menu