LIGO – laserinterferometern som upptäcker gravitationsvågor

LIGO – laserinterferometern som avslöjar gravitationsvågor: banbrytande teknik, banbrytande upptäckter och vad de betyder för vår förståelse av universum.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) är ett storskaligt fysikobservatorium som upptäcker kosmiska gravitationsvågor och som grundades av den skotska fysikern Ronald Drever. De finansierades först av National Science Foundation (NSF) och utformades, byggdes och drivs av Caltech och MIT. NSF har finansierat förbättringar av LIGO för att öka känsligheten, vilket gjorde det möjligt för dem att göra den första upptäckten av gravitationsvågor. LIGO är det största och mest ambitiösa projekt som någonsin finansierats av NSF.

LIGO är en interferometer. Den avfyrar en laserstråle och delar den i två laserstrålar. Speglar skickar dem tillbaka till en ljusdetektor och slår ihop dem. Normalt ska de två laserstrålarna upphäva varandra, så att ljuset inte når detektorn, men alla förändringar i rumtiden som orsakas av gravitationsvågor kan förändra laserstrålarna, så att de inte upphäver varandra helt och hållet. När detta händer kommer ljusdetektorn att se en del av laserljuset, som den sedan kan använda för att räkna ut storleken på rymdtidsförvrängningen.

Bakgrund och viktiga personer

Utvecklingen av LIGO har involverat flera framstående forskare. Förslaget att använda laserinterferometri för att upptäcka gravitationsvågor tillskrivs i stor utsträckning Rainer Weiss, medan Kip Thorne och Ronald Drever också spelade centrala roller i att designa och driva projektet framåt. Arbetet belönades med Nobelpriset i fysik 2017, som delades mellan Rainer Weiss, Barry C. Barish och Kip Thorne för deras avgörande bidrag till detektorerna och detektionsmetoderna för gravitationsvågor.

Var finns LIGO och hur är det uppbyggt

LIGO består av två huvudsakliga observatorier i USA: ett i Hanford, Washington och ett i Livingston, Louisiana. Varje anläggning har formen av en vinkelrät interferometer med armarnas längd på ungefär 4 kilometer. Hela systemet ligger i ett mycket starkt vakuum för att eliminera störningar från luftmolekyler.

• Laser och stråldelning: en högkvalitativ laserstråle delas upp av en stråldelare och skickas längs de två armarna.
• Fabry–Pérot-kaviteter: i var och en av armarnas ändar sitter speglar som bildar resonanskaviteter (Fabry–Pérot) för att effektivt förlänga laserljusets uppehållstid och öka känsligheten.
• Speglar och upphängningar: de inre speglarna (testmassor) är fritt hängande i flera ledade pendulumsystem och isolerade mot markrörelser och vibrationer.
• Återvinning och signalförstärkning: system för power recycling och signal recycling används för att öka den mätbara signalstyrkan och reducera brus.

Hur känslig är LIGO?

LIGO kan mäta extremt små förändringar i avstånd mellan speglarna — motsvarande en relativ förändring (strain) i rumtiden på ordningen 10⁻²¹. För en 4 km lång arm betyder det absoluta längdändringar på storleksordningen 10⁻¹⁸–10⁻¹⁹ meter, mycket mindre än atomkärnornas dimensioner. För att uppnå denna känslighet krävs noggrann kontroll av flera brusmekanismer och avancerad teknik för isolering och signalbehandling.

Tekniska utmaningar och brus

De viktigaste bruskällorna som måste hanteras är:

• Seismiskt brus: jordens rörelser filtreras bort med komplexa isoleringssystem och aktiva stötdämpare.
• Termiskt brus: värmerörelser i speglar och upphängningar begränsar känsligheten vid vissa frekvenser.
• Quantum noise (fotonbrus): inklusive shot noise i detektorn och back-action från ljusets tryck på speglarna; tekniker som införande av snedkvantljus (squeezed light) används för att reducera detta.
• Miljö- och instrumentstörningar: lokala signaler (t.ex. blixtar, fordon, elektronikfel) identifieras och tas bort genom datakvalitetskontroller och samtidiga mätningar vid båda anläggningarna.

Upptäckter och vetenskaplig betydelse

Tack vare förbättringar och uppgraderingar (kallade Advanced LIGO) gjorde LIGO den första direkta upptäckten av gravitationsvågor den 14 september 2015 (evenemanget benämns GW150914). Signalen kom från sammanslagningen av två svarta hål miljarder ljusår bort och tillkännagavs offentligt i februari 2016. Sedan dess har LIGO, ofta i samarbete med andra detektorer som Virgo i Europa, upptäckt fler gravitationsvågshändelser — inklusive sammansmältningar av neutronstjärnor som möjliggjorde direkt multimessenger-astronomi (elektromagnetiska motparter observerade samtidigt).

Dessa upptäckter öppnar nya fönster mot universum: de ger information om svarta hål och neutronstjärnors egenskaper, testar allmän relativitet under extrema förhållanden och hjälper till att kartlägga universums populationshistoria av kompakta objekt.

Dataanalys och verifiering

För att skilja verkliga gravitationsvågssignaler från felaktiga larm krävs att liknande signaler ses i flera detektorer nära samma tidpunkt och att statistisk analys ger tillräcklig signifikans. Analysmetoder inkluderar både matchningsfilter som söker efter förväntade vågformer (från teoretiska modeller) och mer allmänna sökningar för oväntade signaler.

Framtid och fortsatta förbättringar

Forskare arbetar kontinuerligt med att förbättra LIGOs känslighet genom bättre lasrar, lägre termiskt brus, förbättrad kvantoptik och utveckling av ytterligare detektorer (t.ex. projekt för LIGO-India). En tätare global nätverk av detektorer ger bättre positionsbestämning av källor och ökar chanserna för snabba elektromagnetiska uppföljningsobservationer.

Sammanfattning

LIGO är en banbrytande anläggning som med hjälp av laserinterferometri upptäcker och studerar gravitationsvågor. Genom tekniska innovationer och internationellt samarbete har LIGO öppnat ett nytt observationssätt i astronomin och lett till flera viktiga upptäckter om universums mest extrema fenomen.

Frågor och svar

F: Vad är Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)?

F: Vem finansierade det ursprungliga LIGO-projektet?

F: Hur ökade förbättringarna av LIGO dess känslighet?

F: Vad är en interferometer?

F: Hur påverkar förändringar i rumtiden laserstrålarna i en interferometer?

Fråga: Vilket var det mest ambitiösa NSF-finansierade projektet som LIGO någonsin har genomfört?

Sök med bokstav