כאשר שני חורים שחורים מתמזגים, הם משחררים כמות אדירה של אנרגיה. כאשר LIGO זיהה את מיזוג החור השחור הראשון בשנת 2015, גילינו ששלוש מסות שמש בשווי אנרגיה שוחררו כגלי כבידה. אבל גלי כבידה אינם מקיימים אינטראקציה חזקה עם החומר. ההשפעות של גלי כבידה הן כל כך קטנות שאתה צריך להיות קרוב מאוד למיזוג כדי להרגיש אותם. אז איך אפשר לצפות בגלי הכבידה של חורים שחורים שמתמזגים על פני מיליוני שנות אור?
זה קשה עד כדי גיחוך. גלי כבידה הם אדוות במבנה המרחב-זמן. כאשר גל כבידה עובר דרך עצם, המיקומים היחסיים של החלקיקים באובייקט משתנים מעט, ורק דרך השינויים הללו נוכל לזהות את גלי הכבידה. אבל השינוי הזה הוא זעיר. LIGO מודד את המעבר על ידי זוגות מראות המרוחקות 4 קילומטרים זה מזה. כאשר גל כבידה חזק חולף על פני LIGO, המראות זזות בכמה אלפיות מרוחב של פרוטון בלבד.
סכמטי המראה כיצד פועל LIGO. קרדיט: יוהאן ג'רנסטאד/האקדמיה המלכותית השוודית למדעים
LIGO מודד את המרחק הזה על ידי תהליך המכונה אינטרפרומטריית לייזר. לאור יש תכונות דמויות גל, כך שכאשר שתי אלומות אור חופפות, הן משתלבות כמו גלים. אם גלי האור מסתדרים, או שהם 'בפאזה', אז הם מתחברים כדי להיות בהירים יותר. אם הם מחוץ לשלב, הם מתבטלים והופכים עמומים יותר. אז LIGO מתחיל עם קרן אור שנמצאת בשלב, ומפצלת אותה, שולחת קרן אחת לאורך זרוע אחת של LIGO, ואחת לאורך השנייה. כל הקרניים קופצות ממראה במרחק של 4 קילומטרים משם, ואז חוזרות להתאחד לכדי קרן אחת שנראית על ידי גלאי. אם המרחק של מראה משתנה, גם בהירות האור המשולב משתנה.
אורך הגל של האור הוא בסדר גודל של מיקרומטר, אבל גלי כבידה מזיזים את המראות רק בטריליון מהמרחק הזה. אז ל-LIGO כל אלומה נעה הלוך ושוב לאורך הזרוע מאות פעמים לפני שהם מתאחדים. זה מגביר באופן דרמטי את הרגישות של LIGO, אבל זה גם מעלה בעיות אחרות.
מראות LIGO בשדרוג. קרדיט: Caltech/MIT/LIGO Lab
כדי לעבוד, מראות LIGO צריכות להיות מבודדות מכל רעידות רקע מהקרקע ומהמכשירים הסמוכים. כדי להשיג זאת, מערכי המראות תלויים בחוטי זכוכית דקים. גם המערכת כולה צריכה להיות ממוקמת בוואקום. הגלאי כל כך רגיש שמולקולות אוויר העוברות דרך קרני האור נקלטות כרעש. לחץ האוויר בתוך תא הוואקום של LIGO הוא פחות מטריליון אטמוספירה, שהוא נמוך מהמרחב הבין-גלקטי.
עד לגבולות הנדסת האנוש, מערכת LIGO היא מערכת ואקום מבודדת שבה הדבר היחיד שיכול להזיז את המראות הוא כוח הכבידה עצמו. זה לא מושלם, אבל זה טוב מאוד. כל כך טוב שדברים מתחילים להיות מוזרים. גם אם הגלאי היה מבודד בצורה מושלמת, ומוצב בוואקום מושלם, הגלאים עדיין קולטים רעש. המערכת כל כך רגישה שיכולה לקלוט תנודות קוונטיות בחלל ריק.
תכונה מרכזית של מערכות קוונטיות היא שלעולם לא ניתן להצמיד אותן לחלוטין. זה חלק מעיקרון אי הוודאות של הייזנברג. זה נכון אפילו עבור ואקום. המשמעות היא שתנודות קוונטיות מופיעות בתוך הוואקום. כאשר פוטונים של אור עוברים דרך התנודות הללו, הם נדחפים מעט. זה גורם לאלומות האור לנוע מעט מהפאזה. תארו לעצמכם צי של סירות קטנות ששטות על פני ים סוער, וכמה קשה יהיה לשמור אותן יחד.
תקריב של מסחטת הקוונטים של LIGO. קרדיט: מגי טסה
אבל אי ודאות קוונטית היא דבר מצחיק. למרות שהיבטים של מערכת קוונטית תמיד יהיו לא בטוחים, חלקים ממנה יכולים להיות מדויקים ביותר. הקאץ' הוא שאם עושים חלק אחד יותר מדויק חלק אחר הופך פחות מדויק. עבור אור, זה אומר שאתה יכול לשמור על שלב האלומה מיושר יותר על ידי הפיכת בהירות האור לאי ודאית יותר. זה ידוע בתור אור סחוט מכיוון שאתה מועט חוסר ודאות אחד במחיר של אי ודאות אחרת.
אנימציה המציגה מצב אור סחוט. קרדיט: משתמש ויקיפדיה Geek3
מצב אור סחוט זה נעשה באמצעות מתנד פרמטרי אופטי. זה בעצם סט של מראות סביב סוג מיוחד של קריסטל. כאשר האור עובר דרך הגביש, הוא ממזער את התנודות בשלב. התנודות במשרעת הולכות וגדלות, אבל זה השלב החשוב ביותר לגלאי LIGO.
עם השדרוג הזה, הרגישות של LIGO אמורה להכפיל את עצמו. זה יעזור לאסטרונומים לראות מיזוגים של חורים שחורים בצורה ברורה יותר. זה גם יכול לאפשר ל-LIGO לראות סוגים חדשים של מיזוגים. כאלה שהם חלשים יותר או רחוקים יותר ממה שראינו אי פעם.
מָקוֹר: מכשיר חדש מרחיב את טווח ההגעה של LIGO , חדשות MIT.