LIGO: Hassas Optiklerle Yerçekimi Dalgalarını Algılama

Yerçekimini Görmek: LIGO Yerçekimi Dalgalarını Nasıl Tespit Ediyor?

Astronomi tarihi, bize Evren'in giderek daha fazlasını gösteren teleskopların gelişimine bağlıdır. Galileo ve diğer öncülerin ilkel teleskopuyla başlayan ve günümüze kadar devam eden bu süreç,

Örneğin, bu türden birkaç yeni teleskop mega projesini ele aldık:

• DKİSTDünyanın en güçlü güneş teleskobu.
• James Webb Uzay TeleskobuDünya'dan milyonlarca mil uzakta bulunan.
• Vera C. Rubin Gözlemevi, tüm gökyüzünü aynı anda gören bir araştırma teleskobu.
• SKAO (Kilometre Kare Dizi Gözlemevi), radyo dalgası spektrumunda gökyüzünü inceliyor.
• DUNE (Derin Yeraltı Nötrino Deneyi), yakalanması zor nötrinoları tespit ediyor.

Yeni bir astronomi türü ortaya çıkıyor; bu tür, onu tamamen yeni bir şekilde inceliyor: Elektromanyetik dalgaların ışığı ve dalga boyu yerine, kütleçekim dalgalarını ölçüyor.

Nispeten yakın zamana kadar sadece teorik olan kütleçekim dalgaları artık kanıtlanmış bir olgu. Bir proje, bunları ölçmenin yollarını araştırıyor: Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LİGO).

Yerçekimi Dalgası Astronomisi ile Yerçekiminin Ölçülmesi

Uzun zamandır kütle çekiminin, tıpkı elektromanyetizma veya atom seviyesindeki nükleer kuvvetleri yönlendiren kuvvet gibi, Evren'in temel kuvvetlerinden "sadece" biri olduğuna inanılıyordu.

Ama 20'li yılların başında^th yüzyılda Einstein'ın görelilik kuramı, yerçekimini uzay-zamanın eğriliği olarak tanımladı.

Onun teorisi, yıldızlar gibi çok büyük cisimler için yer çekiminin nasıl işlediğini doğru bir şekilde açıklamakla kalmadı, aynı zamanda nötron yıldızları ve kara delikler gibi o dönemde henüz keşfedilmemiş birçok uzay olayını da öngördü.

Bir diğer öngörü ise yerçekimi dalgalarının, uzayın bir gölün yüzeyinde yayılan dalgalar gibi genişleyip sıkışmasına neden olacağıydı.

Sıradan bir ışık dalgasının veya hatta bir okyanus dalgasının aksine, kütleçekim dalgası herhangi bir parçacık tarafından taşınmaz. Bunun yerine, kütleçekim dalgası, uzay-zaman dokusunun kendisi dalgalandığında veya titreştiğinde meydana gelir. 

Bazı olaylar, ölçülebilecek kadar güçlü kütle çekim dalgaları üretebilecek kadar büyük olabilir; örneğin, iki kara deliğin birbirine çarpması gibi.

Ancak, böyle bir olgunun mutlak anlamda ne kadar güçlü olduğu önemli değil; Dünya ile kaynağı arasındaki muazzam mesafe ve uzay-zamanın kendisini ölçmenin zorluğu, bu olayları tespit etmek için ultra hassas bir cihazın tasarlanması gerektiği anlamına geliyor.

Yerçekimi dalgaları milyonlarca veya milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki Dünya'ya ulaştığında, binlerce milyarlarca kat kat daha küçük.

İşte bu yüzden LIGO gibi etkileyici bir enstrüman tasarlanacaktı.

LIGO'nun ilk tespitinden kaynaklanan kütle çekim dalgaları için, ürettikleri uzay-zaman salınımının miktarı 10,000 kat daha fazlaydı. bir atomun çekirdeğinden daha küçük!

İnterferometreler Yerçekimi Dalgalarını Nasıl Algılar?

Yerçekimi dalgalarının ilk dolaylı kanıtı, bir ikili pulsarın yörüngesinin incelenmesiyle elde edildi. Yörünge bozunma enerjisi kaybı, yerçekimi dalgalarının oluşumunda kaybedilecek öngörülen enerjiyle eşleşti. Bu keşfi yapan bilim insanlarına 1993 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı.

Kaynak: Nobel Ödülü

Doğrudan ölçüm, bir interferometre kullanılarak farklı bir kanıt türü gerektiriyordu. Bir interferometrenin temel fikri, ışık ışınları arasındaki etkileşimi kullanmaktır. İki ışık dalgası aynı dalga boyuna sahipse, üst üste binerek koyu ve parlak noktalardan oluşan bir desen oluştururlar.

Ama eğer bir şey bu dalga boylarını değiştirirse, bozulma ölçülebilir.

Uzay-zamanın kütle çekim dalgalarından dolayı genişlemesi ve daralması, interferometrenin kollarından birinin diğerinden daha fazla genişlemesine ve daralmasına neden olduğundan, kütle çekim dalgalarının saptanabilir ve ölçülebilir etkisi ortaya çıkar.

LIGO – Nobel Ödülü Kazandıran Bir Başarı

LIGO, en basit haliyle, her biri 2 km veya 4 mil uzunluğunda, ışık gönderilen 2 uzun koldan oluşur. Kolun ölçeği, en küçük değişiklikleri bile tespit etmeye yardımcı olur; kollar ne kadar uzunsa, yapabileceği ölçümler de o kadar küçük olur.

İnterferometrenin bir kolundan aşağıya bir lazer ışını gönderilir ve bu ışın ikiye bölünür. Her iki ışın da bir aynaya çarptıktan sonra geri yansıtılır.

Normalde her lazer ışınının birbirini nötrlemesi gerekir.

Ancak bir kol, kütleçekim dalgası tarafından diğerinden daha fazla kasılır veya uzatılırsa, lazer ışınları arasındaki girişim durur ve bir ışık sinyali algılanır.

Kaynak: Nobel Ödülü

2015 yılında ABD Ulusal Bilim Vakfı Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi (NSF LIGO), Dünya'dan 1.3 milyar ışık yılı uzaklıktaki kara deliklerin çarpışmasıyla oluşan dalgaların tespit edildiğini doğruladı.

Bu çığır açan çalışma, Fizikçiler Rainer Weiss, Barry Barish ve Kip Thorne 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

LIGO'nun inşası

LIGO, prensip olarak, kütleçekim dalgaları kavramını beynimizde kavradığımızda ve ışık ve lazerler hakkında da az da olsa bir bilgi sahibi olduğumuzda anlaşılması kolay, nispeten basit bir kavramdır.

1/10,000 uzunluğundaki değişimi tespit edebilecek kadar hassas bir sistem inşa etmek^th Bir atomun hikayesi ise bambaşka.

Biri ABD'nin kuzeybatısında, diğeri Louisiana'da olmak üzere iki benzer tesis inşa edildi; bu iki tesis arasında yaklaşık 3,000 km (1860 mil) mesafe vardı.

Kaynak: Nobel Ödülü

Çift tesis, doğrulama işlevi görüyor, çünkü aralarındaki büyük mesafe, yerçekimi dalgasının ikisi arasında yedi saniyelik bir "gecikme" yaşaması anlamına geliyor ve aynı sinyali üretiyor.

Dolayısıyla, tek bir tespit her zaman olası bir hata veya yerel bir bozulma olarak değerlendirilebilirken, tam olarak öngörülen zaman aralığında ABD'nin her iki yakasında da aynı şeyin gerçekleşmesi neredeyse imkansızdır.

Çift tesisler aynı zamanda paha biçilmez bir avantaj da sağlıyor: sinyali üçgenleme olanağı. Bu, sinyalin gökyüzünde hangi bölgeden gelebileceğini daraltmamızı sağlıyor ve bu bölge daha sonra hangi yıldız nesnesinin sorumlu olabileceğini bulacak olan "sıradan" gökbilimciler tarafından tespit ediliyor.

LIGO'nun Eşsiz Ölçüm Hassasiyeti Arayışı

İlk teknik engel, lazer ışığının dalga boyu ve yoğunluğunun mümkün olduğunca sabit olması gerektiğidir. Bu olmadan, rastgele dalgalanmalar kütleçekim dalgası sinyali olarak yanlış yorumlanabilir.

Ardından ışın, asılı aynalara tam olarak çarpmalıdır. Bu aynalar asla hareket etmemelidir.

Yakındaki ağaçlardan yapraklar düştüğünde, bir çocuk koştuğunda veya uzak bir yoldan bir kamyon geçtiğinde bile neredeyse hiç sallanmamalılar. Aynı zamanda, bu asılı aynalar yerçekimi dalgalarının geçişiyle serbestçe sallanabilmelidir.

Örneğin, yer çekiminden kaynaklanmayan küçük değişikliklerin de telafi edilmesi gerekir:

• Aynaların yüzeyindeki atomların termal hareketi
• Lazerde kuantum etkileri.
• Sismik sarsıntılar.
• Havadaki herhangi bir kirlilik deneyi engelleyecek ve tüm deneyin büyük vakum tüplerinde yapılmasını gerektirecektir.

Teorik olarak 4 km'den daha uzun kollar daha hassas ölçümler sağlayabilir, ancak pratikte bir interferometrenin ne kadar büyük yapılabileceğinin pratik bir sınırı vardır.

Sonuç olarak, bu projenin ön çalışmaların yanı sıra, küçük bir araştırma ekibinin sağlayabileceğinden çok daha fazla bütçe ve teknik uzmanlık gerektirdiği kısa sürede ortaya çıktı.

Böylece 1994 yılında CalTech'ten bilim insanı Barry Barish, yaklaşık 40 kişilik küçük bir araştırma grubunu, binin üzerinde katılımcısı olan, başlangıçta 395 milyon dolarlık bir fonla büyük ölçekli uluslararası bir iş birliğine dönüştürdü.

LIGO'nun 200'te 2015 kat daha güçlü lazerlere, 10 kilo ağırlığında aynalara, son derece gelişmiş gürültü filtrelemesine ve dünyanın en büyük vakum sistemlerinden birine kavuşmasıyla gerçekleşen bu atılımın gerçekleşmesi için toplamda 40 milyon dolara ihtiyaç duyulacaktı.

Sismik Stabilizasyon

Dünya hiçbir zaman tam olarak kararlı olmadığı gibi, LIGO'nun aynaları da sismik dengeleyiciler olmadan kararlı olamaz.

Aynalara ilk olarak pasif titreşim azaltma sistemi takıldı: Titreşimleri emen ve bir sonraki parçaya aktarılmasını engelleyen karmaşık bir sarkaç sistemi.

Bu yapı bir araya geldiğinde titreşimleri azaltmada o kadar etkilidir ki, süspansiyonun tepesinde bulunan titreşimler test kütlesine ulaştıklarında 100 milyon kat daha küçük hale gelirler.

Kaynak: LİNK

Bununla da yetinilmemiş, aktif bir stabilizasyon sistemiyle tamamlanmıştır. Her gözlemevinin etrafındaki sismometreler, çeşitli yer hareketlerini algılar ve bu sinyalleri bir bilgisayara göndererek, bunları birleştirerek karşı hareketleri belirler.

Kaynak: LİNK

İnterferometrelerin inşa edileceği yeri seçerken titreşim eksikliğinin önemi önemli bir kriterdi. Sadece bol miktarda boş alana değil, aynı zamanda yerçekimi dalgası tespitleri için ışık kirliliğine eşdeğer olan çok fazla titreşim üreten insan faaliyetine de ihtiyaç duymamalıydılar.

Optik

Her biri 40 kg ağırlığında olan ve süspansiyonların alt kısmına asılan LIGO'nun optikleri, nanometre kalınlığında katmanlar halinde yerleştirilmiş ultra saf malzemelerden yapılmıştır. Her 5 milyon fotonun sadece birini yansıtan malzemelerle kaplanmıştır!

Lazerler

Deneyin özü olan lazerlerin, girişim desenini tutarlı kılmak için çok kararlı bir dalga boyuna sahip olması ve bunu yalnızca kütleçekim dalgaları tarafından bozulmuş olarak görmesi gerekiyor.

Ticari lazerler bu kadar hassas olamazdı. Bu nedenle LIGO'nun lazeri, türünün şimdiye kadar icat edilmiş en kararlı ve kusursuz lazerlerinden biri olacak şekilde özel olarak tasarlandı.

Vakum

Havadan veya yüzen parçacıklardan kaynaklanabilecek herhangi bir girişimi azaltmak için testler ultra yüksek vakum koşullarında gerçekleştirilir.

Ayrıca, lazerin aynalarda toz birikmesi ve 2 milyon dolarlık aynaların yok olması riskini de ortadan kaldırıyor.

LIGO'nun kollarının içindeki atmosfer basıncı trilyonda bir Deniz seviyesindeki, yani santimetre küp başına yalnızca 10 milyon molekül var.

LIGO Başarıları

2015 yılında kara deliklerin çarpışmasının ilk keşfinden sonra, gözlemevi Evren'deki diğer birçok yüksek enerjili olayı ölçtü:

• 2016 yılında meydana gelen ve her biri yaklaşık 30 güneş kütlesine sahip olan bir başka kara delik birleşmesi, 1.3 milyar ışık yılı veya neredeyse 1/10 uzaklıkta yer alıyordu.^thtüm gözlemlenebilir evrenin uzaklığı.
• 2017'de üçüncü ve ardından dördüncü kara delik birleşmesi.

Daha sonra LIGO, pandemi nedeniyle kesintiye uğrayana kadar 2019 yılına kadar iyileştirme çalışmaları için kapatıldı. Bilim insanları bu fırsatı değerlendirerek daha fazla iyileştirme çalışması yürüttüler ve İtalya'nın Pisa kenti dışındaki Avrupa kardeş tesisi VIRGO'yu ağa eklediler.

LIGO'nun Geleceği

LIGO'nun son yıllarda gerçekleştirdiği önceki geliştirmeler sayesinde, nötron yıldızları ve kara delikleri içeren olayların kapsamlı bir kataloğu oluşturulmuş ve diğer gökbilimcilerin bunları daha iyi tanımlayıp anlamaları sağlanmıştır.

Gelecekteki önemli bir geliştirme ise mevcut 40k aynaların 100kg aynalarla değiştirilmesi ve çok daha büyük süspansiyon sistemleriyle birlikte gelmesi olacak.

Ekstra hassasiyetin Evren'deki yerçekimi hakkında daha fazla bilgi edinmeye yardımcı olması bekleniyor.

Bir diğer araştırma alanı da "patlamalı kütleçekim dalgaları"dır. Bilinmeyen veya öngörülemeyen kaynaklardan gelen bu kısa süreli dalgalar yalnızca teoriktir ve tespit edilmesi zordur, bu nedenle LIGO'yu çalıştıran analistlerin neyin geçerli bir sinyal olup olmadığı konusunda açık fikirli olmaları gerekir.

"Daha önce hiç bilmediğimiz sistemlerden kütleçekim dalgaları da tespit edebiliriz. Bu tür kütleçekim dalgalarını aramak için, LIGO bilim insanlarının daha önce modellediği gibi iyi tanımlanmış özelliklere sahip olacaklarını varsayamayız.

Bu, analizlerimizi yalnızca bilim insanlarının öngördüğü kütleçekim dalgalarının izlerini aramakla sınırlayamayacağımız anlamına geliyor.”

Diğer Yerçekimi Dalgası Dedektörleri

Yeni nesil interferometreler de tartışılıyor, özellikle  Kozmik Kaşif, bir interferometre ile 40 km uzunluğunda silahlar veya Einstein Teleskopu, yerin derinliklerine gömülmüş 10 km uzunluğunda kollara sahip üçgen bir dedektör.

Gelecekte görülebilecek bir diğer proje ise devasa bir uzay tabanlı kütle çekim dalgası dedektörü: LISALazer İnterferometre Uzay Anteni. Avrupa Uzay Ajansı liderliğindeki bir girişim tarafından tasarlanıp test ediliyor. Bu anten, her uydu arasındaki mesafe 2.5 milyon kilometre olacak şekilde, üçgen bir formasyonda üç uzay aracını çalıştıracak.

Kaydırmak için kaydırın →

Sonuç

LIGO, türünün ilk örneği olan bir deneyden, kütle çekim dalgalarının varlığını anında doğrulayan oldukça etkileyici bir proje.

LIGO gibi bir proje ilk bakışta tamamen akademik görünebilir. Bu nadiren böyledir, ancak doğrudan uygulamaları ilk bakışta hayal etmek zor olabilir.

Örneğin, Einstein'ın görelilik kuramı bugün rutin olarak GPS uydularının konumlarını kalibre etmek için kullanılıyor; bu, 1919'da günlük ticari bir ihtiyaç olarak hayal edilmesi zor bir uygulamaydı.

Benzer şekilde LIGO da bilim insanlarını dünya standartlarında mühendislikle, daha hassas aynalar, stabilizasyon sistemleri ve lazerler icat etmeye zorluyor.

Bu yeniliklerin, ileri bilişim veya uzay teknolojileri de dahil olmak üzere, bu cihazları kullanan her türlü teknolojide meyve vermesi muhtemeldir.

Gelişmiş Optiklere Yatırım Yapmak

Corning Incorporated

Teleskoplar, gelişmiş camların hassas üretimi açısından olanakları zorladıkça, otomotiv, yarı iletkenler, yapay zeka, savunma, biyoteknoloji, sağlık vb. gibi çeşitli sektörlerde pek çok endüstriyel olanağın da önünü açıyor. Gelişmiş optik pazarı 310 milyar dolarlık bir pazar olup, 9.2 yılına kadar %2032 bileşik yıllık büyüme oranıyla büyümesi bekleniyor.

Corning, 170 yıldır varlığını sürdüren bir cam ve optik şirketidir. Tarihi boyunca Thomas Edison'un elektrik ışığı için ilk cam ampulleri, ilk düşük kayıplı optik fiberi, katalitik konvertörleri etkinleştiren hücresel alt tabakaları ve mobil cihazlar için ilk hasara dayanıklı kapak camını üretmiştir.

Kaynak: Corning

Şirket bugün, ortak üretim süreçlerini ve nihai pazarları paylaşan cam ve seramik üretiminin temel teknolojileri ile optik fizik teknolojilerine odaklanıyor.

Kaynak: Corning

Bu teknolojilerin birbirine bağlanması, şirketin farklı ürün hatları arasında ortak üretim, araştırma ve mühendislik yeteneklerini paylaşmasına olanak tanır. 52,000'den fazla çalışanı, dünya çapında 77'den fazla üretim tesisi ve 10'dan fazla Ar-Ge tesisiyle şirket, kendi nişinde büyük bir oyuncudur.

Kaynak: Corning

Şirket, yapay zeka ve veri merkezi inşaatındaki (optik fiberler) artışın yanı sıra ekranlarda ve biyoteknolojide özel cam tüketiminin artmasından da faydalanıyor.

Corning, ABD gelirlerinin %90'ının ABD menşeili ürünlerden gelmesi nedeniyle tarifelerden çok fazla etkilenmemelidir. Çin'de yapılan satışların çok azı ABD tesislerinden kaynaklanmıştır ve Çin satışlarının %80'i Çin'de yapılmıştır.

Tarifeler bile yardımcı olabilir, çünkü Corning güneş paneli pazarına stratejik kontrolle giriyor Hemlock GüneşAsya'daki güneş panellerine (sadece Çin değil) dört haneli tarifeler uygulanırken, ABD yapımı paneller üretmek için çalışmalara başlandı. Kapasitenin %80'i müşterilerin taahhütleriyle güvence altına alındı.

Şirket için güneş enerjisi çok mantıklı, çünkü şirketin temel üretim uzmanlığı silikondan oluşuyor, 60 yıldır ultra saf silikon (99.9999999999% saflıkta) dahil olmak üzere polisilikon üretiyor ve şimdi de %100 ABD'de ithal edilen bir ürün olan silikon gofret üretimine başlıyor.

Kaynak: Corning

Şirket ayrıca cam ve seramikteki uzmanlığının sağlam bir üstünlük sağlayabileceği bükülebilir cam, AR, karbon yakalama vb. gibi diğer gelişmiş teknolojilere de bakıyor.

Kaynak: Corning

Genel olarak Corning, küreselleşmenin olumsuz etkilerinden etkilenmemesi gereken, yerelleştirilmiş üretime sahip, son derece teknik bir şirkettir. Ayrıca, özellikle güneş enerjisi ve optik iletişim/yapay zeka altyapısı gibi temel yetkinliklerine uygun yeni pazarlara da açılmaktadır. Bu, onu hem kendi nişinde daha da derinleşen nispeten muhafazakar bir şirket hem de yüksek teknoloji pazarlarında potansiyel bir büyüme hissesi haline getirmektedir.

En Son Corning Inc. (GLW) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri