Yeni teknik, LIGO’nun uzak evrene daha da derinlemesine bakmasını sağlıyor

Riverside’daki Kaliforniya Üniversitesi’ndeki bilim insanları, yerçekimsel dalga gözlemevlerinin evrenin daha uzağını görmelerine yardımcı olmak için en büyük zorluklardan birini çözerek yeni bir yol geliştirdiler: dedektörlerin kalbindeki büyük aynalarda ısının neden olduğu küçük bozulmalar.

Teknik, yayınlanan bir makalede açıklanan Klasik ve Kuantum Yerçekimigüçlü lazerlerin neden olduğu mikroskobik bozulmaları ortaya çıkarmak için termal görüntülemeyi kullanır. Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) gibi gözlemevleri, bu bozulmaları daha kesin bir şekilde ölçerek hassasiyetlerini artırabilir ve daha zayıf, daha uzaktaki kütleçekim dalgası olaylarını tespit edebilir.

Araştırmayı yöneten UC Riverside’da fizik ve astronomi doçentlerinden Jonathan Richardson, “Yeni nesil yerçekimsel dalga dedektörlerinin hedefi, günümüzün cihazlarının yaklaşık 10 katı hassasiyete ulaşmaktır” dedi ve şöyle devam etti: “Bunu başarmanın önündeki en önemli engellerden biri, ölçümlerin hassasiyetini sınırlayan temel kuantum mekaniği gürültüsünü azaltmaktır.”

Isı, ultra saf aynaları bile çözer

LIGO, bir protonun genişliğinden daha küçük mesafedeki değişiklikleri ölçerek yerçekimi dalgalarını (uzay-zamanda büyük nesnelerin hızlandırılmasıyla oluşturulan dalgalanmalar) tespit eder. Bu ölçümleri yapmak için, lazerler 4 kilometre uzunluğundaki (2,5 mil uzunluğunda) gözlemevi boyunca bir megawatt’a yaklaşan güçlerle dolaşıyor.

LIGO’nun aynaları şimdiye kadar yapılmış en saf optik bileşenler arasında olmasına rağmen yine de lazer ışığının çok küçük bir kısmını emer. Ortaya çıkan ısı, aynaların şeklini sadece birkaç nanometre kadar değiştirerek, lazer ışınını hafifçe bozar ve dedektörün hassasiyetini azaltır.

Araştırmacılar, aynalara dikkatle kontrol edilen ısıtma düzenleri uygulayarak bu çarpıklıkları nasıl gidereceklerini zaten biliyorlar. Buradaki zorluk, optimum ısıtma modelini uygulamak için aynaların tam olarak nasıl bozulacağını belirlemektir.

Yüzey ısısından bozulmaların okunması

Yeni yöntem, ayna yüzeyinin kızılötesi termal görüntülerini mevcut dalga cephesi ölçümleri ve ısı akışının bilgisayar modelleriyle birleştirerek aynaların tüm çapları boyunca optik bozulmasını yeniden oluşturuyor.

Richardson, “Bunu bir araba motorunun kızılötesi fotoğrafını çekmek gibi düşünebilirsiniz” dedi. “Bir mühendis dışarıdaki sıcaklık düzenine bakabilir ve motorun içinde neler olduğunu anlayabilir. Aynı şeyi LIGO’nun aynaları için de yapıyoruz.”

Fikir, Richardson’ın grubu tam ölçekli, 40 kilogramlık (88 pound) bir LIGO aynası üzerinde yeni uyarlanabilir optikleri test ederken beklenmedik bir deneysel sonuçtan doğdu. Deney, LIGO’nun ana aynalarının yüzeylerini hassas bir şekilde yeniden şekillendirmek için tasarlandı.

Richardson, “Yüzey sıcaklığını biliyorsanız ve ısının optikte nasıl aktığına dair iyi bir modele sahipseniz, içindeki optik bozulmaları doğru bir şekilde yeniden oluşturabileceğinizi bulduk.” dedi. “Bu şaşırtıcı sonuç, bizi bu yeni algılama tekniğini geliştirmeye yönlendiren şey oldu.”

Daha geniş erişime sahip daha basit bir yükseltme

Birçok LIGO yükseltmesinden farklı olarak bu yaklaşım, tamamen yeni enstrümantasyon yerine, interferometrenin dışına monte edilen ticari olarak mevcut termal görüntüleme kameralarına dayanıyor.

Richardson, “Sadece günümüzün ticari standartlarını karşılayan bir termal görüntüleme kamerası gerekiyor” dedi. “LIGO enstrümantasyon problemini çözmek için neredeyse duyulmamış bir şey olan herhangi bir yeni teknoloji geliştirmeyi gerektirmiyor.”

Araştırmacılar, tekniğin, yaklaşan LIGO A+ yükseltmesinin, bir cihazın tespit edebileceği uzunluktaki en küçük kesirli değişiklik olan gerilim hassasiyetini %31’e kadar artırabileceğini ve gözlemevinin ortalama 10 megaparsek (kabaca 33 milyon ışık yılı) uzaktaki ikili nötron yıldızı birleşmelerini tespit etmesine olanak tanıyacağını tahmin ediyor.

Richardson, “Dedektörü daha hassas hale getirdiğinizde, sadece biraz daha uzağı görmezsiniz; evrenin çok daha büyük bir hacmini gözlemlersiniz” dedi. “Tespit edilebilir hacim mesafenin küpüyle orantılı olduğundan, hassasiyetteki küçük bir artış bile tespit ettiğimiz kütleçekim dalgası olaylarının sayısında çok daha büyük bir artışa neden olabilir.”

LIGO yol bulucudan Kozmik Kaşif’e

Teknolojinin ayrıca önerilen yeni nesil ABD kütleçekim dalgası gözlemevi olan Cosmic Explorer’ın temel tasarımının bir parçası olması bekleniyor. Richardson, mod algılama ve kontrol sistemi için sistem tasarımı lideri olarak hizmet vermektedir.

Richardson, “LIGO yol gösterici olarak hizmet edecek” dedi. “Bu teknikleri sonraki yükseltmelerde geliştirip doğrulayacağız ve ardından bu deneyimi Kozmik Kaşifi etkinleştirmek için kullanacağız.”

Richardson’a göre çalışma, gelecekteki gözlemevleri için ihtiyaç duyulan teknolojideki önemli bir boşluğu dolduruyor.

“Araştırmamız yalnızca bu optik bozulmaları düzeltmenin bir yolunu değil, aynı zamanda bunların ilk etapta tam olarak nasıl düzeltilmesi gerektiğini ölçmenin pratik bir yolunu da sağlıyor” dedi. “Bu yetenek, gelecek nesil kütleçekim dalgası gözlemevleri için gerekli olacak ve uzak evreni her zamankinden daha uzak görmemize olanak sağlayacak.”

Makalenin ortak yazarları, Richardson’un laboratuvarında eski bir doktora sonrası araştırmacı olan Liu Tao ve UCR Fizik ve Astronomi Bölümü’nde doktora öğrencisi olan Pooyan Goodarzi’dir.