Een 'Telescoop' In De Grootte Van De Stad Zou Kunnen Zien Hoe Ruimte-Tijd 1 Miljoen Keer Per Jaar Rimpel

{h1}

Een zwaartekrachtgolfdetector die 2,5 mijl lang is, is niet cool. Weet je wat cool is? Een 25 mijl lange zwaartekrachtgolfdetector.

COLUMBUS, Ohio - Een zwaartekrachtgolfdetector die 2,5 mijl lang is, is niet cool. Weet je wat cool is? Een 25 mijl lange zwaartekrachtgolfdetector.

Dat is het resultaat van een reeks gesprekken die hier zaterdag (14 april) op de aprilvergadering van de American Physical Society zijn gegeven. De volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren zal tot aan de buitenrand van het waarneembare universum turen, op zoek naar rimpelingen in het eigenlijke weefsel van ruimte-tijd, wat volgens Einstein zou gebeuren wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten botsen. Maar er zijn nog steeds een aantal belangrijke uitdagingen in de weg van hun constructie, presentatoren vertelde het publiek.

"De huidige detectors waarvan je denkt dat ze heel gevoelig zijn," vertelde Matthew Evans, een fysicus aan het MIT, aan het publiek. "En dat klopt, maar het zijn ook de minst gevoelige detectoren waarmee je zwaartekrachtsgolven [kunt] detecteren." [8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien]

Huidige detectoren zijn natuurlijk niets om naar te niezen. Toen de 2,5 mijl lange (4 kilometer) Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) eerst ruimte-tijd ontdekte die groeide en terugdeinst in 2015 - de zwaartekrachtsgalm van een 1,3 miljard jaar oude botsing tussen twee zwarte gaten - het bewees het bestaan ​​van de enorme, onzichtbare zwaartekrachtgolven die eens volledig theoretisch waren en leidde in slechts twee jaar tot een Nobelprijs voor de makers van LIGO.

Maar LIGO en zijn neef, het 3,7 kilometer lange Italiaanse instrument Maagd, zijn fundamenteel beperkt, aldus de sprekers. Beide detectoren zijn alleen echt in staat om zwaartekrachtsgolven te detecteren van objecten die relatief dicht bij de aarde zijn op de schaal van het hele universum, zei MIT-fysicus Salvatore Vitale. Ze zijn ook beperkt in het soort objecten dat ze kunnen detecteren.

Tot dusverre waren er eigenlijk maar twee belangrijke resultaten van de huidige generatie interferometers: de 2015-detectie van een black hole-fusie en de detectie van twee neutronensterren in augustus 2017 (ook een hot topic op de conferentie). Er zijn nog een aantal botsingen met zwart gat gedetecteerd, maar deze hebben niet veel moois opgeleverd bovenop de eerste detectie.

Bouw opgeschaalde, nauwkeurigere LIGO's en Virgos, of een ander soort grootschalige detector genaamd een "Einstein-telescoop", zei Evans, en het tempo van de golfdetectie kon van één naar enkele maanden stijgen tot meer dan 1 miljoen per jaar.

De driehoekige Einstein-telescoop, een grootschalige gravitatiegolfdetector, is meer dan een decennium verwijderd.

De driehoekige Einstein-telescoop, een grootschalige gravitatiegolfdetector, is meer dan een decennium verwijderd.

Credit: CERN

"Als ik zeg dat deze detectoren ons naar de rand van het universum leiden, dan bedoel ik dat ze bijna elk binair systeem kunnen detecteren dat versmelt," zei hij, verwijzend naar paren van sterren, zwarte gaten en neutronensterren die botsen.

Dat betekent de mogelijkheid om zwarte gaten te detecteren uit de allereerste jaren van het universum, diepgaande mysteries van de zwaartekracht te onderzoeken en zelfs potentieel de zwaartekrachtgolven van een supernova te ontdekken en samen te vallen in een neutronenster of zwart gat.. [6 weird feiten over zwaartekracht]

Groter is beter

Waarom leiden grotere detectoren tot meer gevoelige zoekopdrachten naar zwaartekrachtsgolven? Om dat te begrijpen, moet je begrijpen hoe deze detectoren werken.

LIGO en Maagd zijn, zoals WordsSideKick.com eerder heeft gemeld, in feite gigantische L-vormige heersers. Twee tunnels vertakken zich loodrecht op elkaar en gebruiken lasers om uiterst fijne moment-tot-moment-metingen te maken van de lengtes van de tunnels. Wanneer een zwaartekrachtsgolf de detector passeert en de ruimte zelf beweegt, verandert die lengte een klein beetje. Wat eens een mijl was, wordt kort iets minder dan een mijl. En de laser, die die kortere afstand iets sneller doorloopt, laat zien dat de verandering is gebeurd.

Maar er is een limiet aan hoe fijn die meting kan zijn. De meeste golven rimpelen de laser veel te licht voor de interferometers. Verbetering van de detectietechnologie in de bestaande tunnels van LIGO en Virgo kan de zaken enigszins verbeteren, zei Evans, en er zijn plannen om dat te doen. Maar om het signaal echt te versterken, zei hij, is de enige optie om veel groter te worden. [Jacht gravitatiegolven: het LIGO laserinterferometer project in foto's]

Een L-vormige detector met 24,46 mijl lange (40 km) armen, 10 keer de grootte van LIGO, is de volgende stap, aldus Evans. Hij noemde het voorstel een 'kosmische ontdekkingsreiziger'. Het zou groot genoeg zijn om zo ongeveer alles te detecteren wat een zwaartekrachtdetector zou kunnen detecteren, zei hij, maar niet zo groot dat de onderliggende fysica uiteen begint te vallen of de kosten onhaalbaar hoog worden, zelfs voor dit soort van oogafbraak dure wetenschap project. (De uiteindelijke kosten van LIGO liepen op honderden miljoenen dollars.)

Dus waarom een ​​detector van die omvang, in plaats van twee keer of tien keer zo groot?

Op een gegeven moment, ongeveer 40 km lang, zei Evans, dat het zo lang duurt voordat het licht van het ene uiteinde van de tunnel naar het andere is overgegaan, zodat het experiment wazig wordt, waardoor de resultaten minder precies zijn dan meer.

Ten minste zo uitdagend zijn de kosten. LIGO en Maagd zijn klein genoeg dat de kromming van de aarde geen belangrijke bouwuitdaging was, zei Evans.Maar bij 40 km per arm, betekent het plaatsen van de einden van elke tunnel op grondniveau dat de middelpunten van de tunnels zich 30 m onder de grond moeten bevinden (in de veronderstelling dat de grond perfect vlak is).

"Meer dan 40 kilometer," zei Evans, "begint de vrachtafstand van vuil [uit de lange tunnel] om de kosten over te nemen."

Er is ook het fundamentele probleem van het vinden van een lege ruimte die groot genoeg is om zo'n grote detector te bouwen. Evans zei dat er eigenlijk nergens in Europa genoeg is, en in de VS zijn de opties beperkt tot de regio van het Great Salt Lake in Utah en de Black Rock-woestijn in Nevada.

Die ruimtekwesties drijven het alternatieve massieve gravitatiegolfdetectorontwerp aan, de Einstein-telescoop. Hoewel een L-vorm de beste manier is om een ​​zwaartekrachtsgolf te meten, kan Evans een driehoek met drie tunnels en meerdere detectoren bijna net zo goed doen als een veel kleinere ruimte innemen, ideaal voor de geografische beperkingen van Europa.

Deze detectoren bevinden zich nog 15 tot 20 jaar na voltooiing, zei Vitale, en alle technologie die nodig is om ze te bouwen is nog niet uitgevonden. Toch vertelden hij en Evans beide aan de verzamelde wetenschappers dat "de tijd nu rijp is om eraan te werken". Vitale zei al dat er acht werkgroepen zijn die een rapport voorbereiden over de wetenschappelijke onderbouwing voor dergelijke massale apparaten, gepland in december 2018.

Eén lid van het publiek vroeg Evans of het logisch was om bijvoorbeeld een 8 km lange detector te bouwen, terwijl een echte Cosmic Explorer of een volledige Einstein-telescoop meer dan een decennium van ons verwijderd blijft.

Als hij in een financieringscomité zat, zou hij een dergelijk project niet goedkeuren, omdat de wetenschappelijke opbrengsten van het verdubbelen van de omvang van LIGO gewoon niet zo groot zijn, zei Evans. Het is alleen bij de bovengrenzen van de tunnelgrootte, dat de kosten van een dergelijk project gerechtvaardigd zouden zijn, voegde hij eraan toe.

"Tenzij ik wist dat om een ​​of andere reden [een detector van 8 km de grootste ooit realistisch mogelijk zou zijn om te bouwen], is het gewoon niet de moeite waard," zei hij.

Toch, zei Vitale, betekent dat nog niet dat wetenschappers 15 tot 20 jaar moeten wachten op de volgende belangrijke fase van zwaartekrachtsgolven. Naarmate er meer detectoren op de huidige schaal online komen, zoals de Kgooka gravitationele golfdetector (KAGRA) in Japan en het LIGO-formaat LIGO-India, en naarmate de bestaande detectoren verbeteren, zullen onderzoekers de mogelijkheid hebben om individuele zwaartekrachtgolven te meten. vanuit meerdere hoeken tegelijk, waardoor meer detecties en meer gedetailleerde conclusies mogelijk zijn over waar ze vandaan komen.

Oorspronkelijk artikel over WordsSideKick.com.


Video Supplement: Carl Sagan's Cosmos, De Rand van de Eeuwigheid (Afl. 10, Nederlands ondertiteld).




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com