Když se dvě černé díry spojí, uvolní obrovské množství energie. Když LIGO v roce 2015 detekovalo první sloučení černých děr, zjistili jsme, že se jako gravitační vlny uvolnily tři sluneční hmoty v hodnotě energie. Ale gravitační vlny neinteragují silně s hmotou. Účinky gravitačních vln jsou tak malé, že byste museli být extrémně blízko ke sloučení, abyste je cítili. Jak tedy můžeme pozorovat gravitační vlny spojujících se černých děr v délce milionů světelných let?
Je to směšně těžké. Gravitační vlny jsou vlnění ve struktuře časoprostoru. Když gravitační vlna prochází objektem, relativní polohy částic v objektu se mírně posunou a pouze prostřednictvím těchto posunů můžeme detekovat gravitační vlny. Ale ten posun je nepatrný. LIGO měří posun pomocí dvojic zrcadel, která jsou od sebe vzdálená 4 kilometry. Když silná gravitační vlna projde LIGO, zrcadla se posunou jen o několik tisícin šířky protonu.
Schéma ukazuje, jak LIGO funguje. Kredit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
LIGO měří tuto vzdálenost procesem známým jako laserová interferometrie. Světlo má vlnové vlastnosti, takže když se dva paprsky světla překrývají, spojují se jako vlny. Pokud se vlny světla seřadí nebo jsou „ve fázi“, pak se superponují, aby se staly jasnějšími. Pokud jsou mimo fázi, ruší se a stmívají. Takže LIGO začíná paprskem světla, který je ve fázi, a rozděluje ho, posílá jeden paprsek podél jednoho ramene LIGO a jeden podél druhého. Každý paprsek se odrazí od zrcadla vzdáleného 4 kilometry, pak se vrátí a spojí se do jediného paprsku, který vidí detektor. Pokud se změní vzdálenost zrcadla, změní se i jas kombinovaného světla.
Vlnová délka světla je v řádu mikrometrů, ale gravitační vlny posouvají zrcadla pouze o biliontinu této vzdálenosti. Takže LIGO musí každý paprsek cestovat tam a zpět podél ramene stokrát, než se spojí. To dramaticky zvyšuje citlivost LIGO, ale také vyvolává další problémy.
Zrcadla LIGO se modernizují. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab
Aby zrcadla LIGO fungovala, musí být izolována od jakýchkoli vibrací na pozadí ze země a blízkých přístrojů. Aby toho bylo dosaženo, jsou zrcadlová pole zavěšena tenkými skleněnými vlákny. Celý systém je také potřeba umístit do vakua. Detektor je tak citlivý, že molekuly vzduchu procházející světelnými paprsky jsou zachyceny jako šum. Tlak vzduchu ve vakuové komoře LIGO je menší než biliontina atmosféry, což je méně než mezigalaktický prostor.
Na hranici lidského inženýrství je systém LIGO izolovaným vakuovým systémem, kde jediná věc, která může pohybovat zrcadly, je gravitace samotná. Není to dokonalé, ale je to velmi dobré. Tak dobře, že věci začínají být divné. I kdyby byl detektor dokonale izolován a umístěn v dokonalém vakuu, detektory by přesto zachytily šum. Systém je tak citlivý, že dokáže zachytit kvantové fluktuace v prázdném prostoru.
Ústřední vlastností kvantových systémů je to, že je nelze nikdy zcela vymezit. Je to součást Heisenbergova principu nejistoty. To platí i pro vakuum. To znamená, že se ve vakuu objevují kvantové fluktuace. Jak fotony světla procházejí těmito fluktuacemi, jsou trochu otřeseny. Díky tomu se paprsky světla pohybují mírně mimo fázi. Představte si flotilu malých člunů plujících po rozbouřeném moři a jak těžké by bylo udržet je pohromadě.
Detailní záběr na kvantový ždímač LIGO. Kredit: Maggie Tse
Ale kvantová nejistota je legrační věc. Přestože aspekty kvantového systému budou vždy nejisté, jeho části mohou být extrémně přesné. Háček je v tom, že pokud uděláte jednu část přesnější, další část bude méně přesná. Pro světlo to znamená, že můžete udržet fázi paprsku více vyrovnanou tím, že jas světla bude nejistější. Toto je známé jako stlačené světlo, protože stlačujete jednu nejistotu menší za cenu druhé.
Animace zobrazující stlačený stav světla. Kredit: uživatel Wikipedie Geek3
Tento stlačený stav světla se provádí pomocí optického parametrického oscilátoru. Je to v podstatě sada zrcadel kolem speciálního druhu krystalu. Když světlo prochází krystalem, minimalizuje kolísání fáze. Kolísání amplitudy se zvětšuje, ale je to fáze, která je pro detektory LIGO nejdůležitější.
S tímto upgradem by se měla citlivost LIGO zdvojnásobit. To pomůže astronomům vidět sloučení černých děr jasněji. Mohlo by to také umožnit společnosti LIGO vidět nové druhy fúzí. Takové, které jsou slabší nebo vzdálenější, než jsme kdy viděli.
Zdroj: Nový nástroj rozšiřuje dosah LIGO , MIT News.