מדענים פיתחו מערכת אופטית חדשנית שנועדה לשפר את הרגישות של גלאי LIGO גלאי הכבידה האמריקאי, שהיה שותף יחד עם וירגו האירופי בגילוי הראשוני גלי הכבידה ובגילויים רבים בהמשך
טכנולוגיה חדשה של אופטיקה אדפטיבית צפויה לחולל מהפכה בגילוי גלי הכבידה, ולאפשר ל-LIGO (מתקן אינטרפרומטר לייזר לזיהוי גלי כבידה). ולמצפים עתידיים כמוCosmic Explorer להגיע לרמות חדשות של דיוק. על-ידי תיקון עיוותים במראות, פריצת הדרך הזו תאפשר שימוש ברמות כוח לייזר חסרות תקדים, ובכך תסייע למדענים לחקור את הרגעים הראשונים של היקום ולשפר את הבנתנו על חורים שחורים ומרחב-זמן.
LIGO כולל שני מתקנים לגילוי גלי כבידה, האחד במדינת וושינגטון והשני בלואיזינה.
הרחבת טווח תצפיות גלי הכבידה
מחקר שהתפרסם לאחרונה ב-Physical Review Letters מציג קפיצת דרך בטכנולוגיה האופטית, שעשויה להגדיל באופן דרמטי את טווח התצפיות של גלאי גלי הכבידה כמו LIGO (מתקן אינטרפרומטר לייזר לזיהוי גלי כבידה).
המחקר, בהובלתו של ד"ר ג'ונתן ריצ'רדסון מאוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד, מדגים כיצד ההתקדמות הזו לא רק תשפר את יכולות הגילוי הנוכחיות, אלא גם תסלול את הדרך לדור הבא של תצפיות גלי כבידה.
מאז שהתגלו גלי הכבידה לראשונה בשנת 2015, LIGO חולל מהפכה ביכולתנו להתבונן ביקום. שדרוגים עתידיים למערכותיו, שאורכן 4 קילומטרים, לצד תכנון Cosmic Explorer באורך40 קילומטרים, צפויים להרחיב את יכולת הגילוי עד לרגעים הראשוניים ביותר בהיסטוריה הקוסמית – עוד לפני היווצרות הכוכבים הראשונים.
עם זאת, כדי להשיג מטרה זו יש צורך בהעברת רמות כוח לייזר העולות על 1 מגוואט – הרבה מעבר ליכולות הנוכחיות של LIGO.
טכנולוגיית אופטיקה אדפטיבית חדשה
Cosmic Explorer הוא פרויקט חדשני של תצפית גלי כבידה מהדור הבא, אשר ישפר את יכולתנו לראות ולנתח את גלי הכבידה ביקום.
מדובר בתרומתה המתוכננת של ארצות הברית לרשת הגלובלית של גלאי גלי הכבידה הקרקעיים מהדור הבא. הקונספט שלCosmic Explorer כולל שני מתקנים – האחד באורך40 קילומטרים והשני באורך20 קילומטרים, כאשר כל אחד מהם יאכלס מתקן אינטרפרומטר בצורת L.
המחקר מציג מערכת אופטיקה אדפטיבית מתקדמת, בעלת רמות רעש נמוכות ורזולוציה גבוהה, שנועדה להתגבר על הבעיה של עיוותי חום במראות הכבדות של LIGO, אשר נגרמים כתוצאה מעלייה ברמות כוח הלייזר.
טכנולוגיה זו מאפשרת שימוש בעוצמות לייזר גבוהות במיוחד, מה שעשוי להרחיב באופן משמעותי את רגישות הגלאים לגילוי גלי כבידה ולקרב אותנו צעד נוסף לפענוח אותות קוסמיים רחוקים וחמקמקים.
הסבר מדעי על גלי הכבידה
ג'ונתן ריצ'רדסון, מרצה לפיזיקה ואסטרונומיה, מסביר: "גלי כבידה הם דרך חדשה ופורצת דרך להביט ביקום. הם נובעים ממשוואות תורת היחסות הכללית."
"כאשר עצמים מסיביים מואצים או מתנגשים זה בזה, נוצרים עיוותים במבנה המרחב-זמן שמתפשטים בדומה לגלים במים – במהירות האור. גלים אלו נושאים עמם אנרגיה ותנע, והם מספקים מידע חדש על האובייקטים האסטרופיזיים הקיצוניים שמייצרים אותם, כמו חורים שחורים, וכן על מבנה המרחב-זמן עצמו."
כיצד פועל LIGO?
LIGO הוא אחד המתקנים המדעיים המרשימים בעולם, המורכב משני אינטרפרומטרים לייזריים באורך4 קילומטרים כל אחד – האחד ממוקם במדינת וושינגטון והשני בלואיזיאנה.
שני המתקנים פועלים בו-זמנית, מאזינים לשינויים עדינים במרחב-זמן שיכולים להיגרם על-ידי גלי כבידה החולפים דרך כדור הארץ.
עד כה LIGO זיהה מיזוגים של כ-200 אובייקטים קומפקטיים בעלי מסה כוכבית, רובם של חורים שחורים, לצד כמה אירועים של מיזוג כוכבי ניוטרונים.
"אני מקווה שיום אחד נגלה מקור לא צפוי וחדש לחלוטין. אם נביט בהיסטוריה של האסטרונומיה, נראה שכמעט בכל פעם שפותח טלסקופ חדש, הצלחנו לגלות תופעות קוסמיות חדשות. אני מקווה שכך יהיה גם עם גלי הכבידה." אומר ריצ'ארדסון.
מכשירים אופטיים אדפטיביים חדשים
המערכות החדשות של אופטיקה אדפטיבית נועדו לייצר דפוסי חימום ממוקדים בצורת טבעת על פני משטחי האופטיקה של LIGO בקוטר 34 ס"מ, במטרה למנוע עיוותים תרמיים שנגרמים עם העלייה בעוצמת הלייזר.
מהו הכלי שפיתחת במעבדתך עבור LIGO?
"במעבדתי באוניברסיטת קליפורניה ריברסייד, אני מתמקד בפיתוח טכנולוגיות לייזר אדפטיביות חדשות, שמטרתן להתגבר על מגבלות פיזיקליות בקביעת הרגישות של גלאים כמו LIGO.
בכל טווח התדרים האפשרי לגילוי גלי כבידה מהקרקע, מגבלת הרגישות נקבעת בעיקר על-ידי תכונות קוונטיות של אור הלייזר עצמו.
הכלי שפיתחנו מאפשר תיקונים אופטיים מדויקים למראות של LIGO באמצעות הקרנת קרינה אינפרא-אדומה בעלת רעש נמוך מאוד, דבר שלא נעשה בעבר בזיהוי גלי כבידה."
מהו Cosmic Explorer?
"Cosmic Explorer הוא פרויקט הדור הבא של ארה"ב לתצפיות גלי כבידה, שיהיה גדול פי 10 מ-LIGO.
המתקן החדש יכלול אינטרפרומטרים באורך 40 קילומטרים, ויהיה המתקן המדעי הגדול ביותר שנבנה אי פעם.
ברגישותו הגבוהה Cosmic Explorer יאפשר לנו לראות את היקום בזמנים מוקדמים במיוחד – עוד לפני שהכוכבים הראשונים נוצרו."
מדוע חשוב מחקר זה?
"מחקר זה מסייע לנו לענות על שאלות בסיסיות בפיזיקה ובקוסמולוגיה, כמו קצב ההתפשטות של היקום והאופי האמיתי של חורים שחורים. כיום קיימות שתי מדידות סותרות של קצב ההתפשטות של היקום המקומי, וגלי הכבידה יכולים לספק את המפתח לפתרון המחלוקת."
עוד בנושא באתר הידען:
