LIGO: laserinterferomeetri gravitatsioonilainete observatoorium

LIGO – laserinterferomeetriga gravitatsioonilainete observatoorium, Caltech/MIT projekt, mis tänu suurenenud tundlikkusele avastas ruumi-aja kõikumised ja avab uue kosmoseuuringute ajastu.

Laserinterferomeetri gravitatsioonilainete observatoorium (LIGO) on laiaulatuslik füüsikaobservatoorium, mis tuvastab kosmilisi gravitatsioonilained ja mille asutajaks on šoti füüsik Ronald Drever. Esmalt rahastas neid riiklik teadusfond (NSF) ning neid kavandasid, ehitasid ja haldavad Caltech ja MIT. NSF rahastas LIGO parandusi, et suurendada tundlikkust, mis võimaldas neil teha esimese gravitatsioonilainete avastamise. LIGO on suurim ja ambitsioonikaim projekt, mida NSF on kunagi rahastanud.

LIGO on interferomeeter. See tulistab laserkiire ja jagab selle kaheks laserkiireks. Peeglid suunavad need tagasi valgusdetektori poole ja ühendavad need. Tavaliselt peaksid need kaks laserkiirt üksteist tühistama, nii et valgus ei jõua detektorisse, kuid gravitatsioonilainete põhjustatud muutused ruumi-ajas võivad muuta laserkiire, nii et need ei tühistu täielikult. Kui see juhtub, näeb valgusdetektor osa laservalgusest, mida ta saab kasutada ruumi-aja moonutuse suuruse arvutamiseks.

Ajalugu ja juhtfiguurid

LIGO arendus algas 1970. ja 1980. aastatel; olulised algatajad ja mentorid olid Rainer Weiss (MIT), Kip S. Thorne (Caltech) ja Ronald Drever (University of Glasgow). Projekt kasvas aja jooksul rahvuslikuks programmiks, mille rahastajaks oli peamiselt USA riiklik teadusfond (NSF). LIGO suuremalt moderniseerimine – nn Advanced LIGO – tõstis observatooriumi tundlikkuse nii palju, et 14. septembril 2015 tehti esmane otsene gravitatsioonilainete tuvastus (sündmus GW150914). Selle ja edaspidine töö tõi 2017. aastal Nobeli füüsikapreemia Rainer Weissi, Barry Barishi ja Kip Thorne’ile observatooriumi ja gravitatsioonilainete avastamise olulisuse eest.

Observatooriumad ja koostöö

LIGO-l on kaks põhiasukohta Ameerika Ühendriikides: Hanfordis (Washingtoni osariik) ja Livingstonis (Louisiana). Igal asukohal on kaks 4 km pikkust tiiba (kätega) kujundatud vaakumtoru, mis moodustavad Michelsoni interferomeetri. Tulemused koostatakse tihti ka teiste gravitatsioonilainete observatooriumidega üle maailma (näiteks Itaalia–Prantsusmaa Virgo, Jaapani KAGRA ja Saksa–Suurbritannia GEO600), mis võimaldab täpsemat lähtekoha määramist ja signaalide kinnitamist.

Kuidas LIGO interferomeeter töötab

Lihtsustatult: LIGO laseb monokromaatilise laserkiire beam-splitteri kaudu kaheks, suunab need kahe 4 km pikkuse harusse, peegeldab need tagasi ja kombineerib uuesti. Kui gravitatsioonilaine möödub, muutub ruumi-aja suhte tõttu ühe haru pikkus teisest veidi – see muutus on äärmiselt väike (tüüpiliselt suhteline venituse ehk “strain” suurus ~10⁻²¹, mis vastab umbes 10⁻¹⁸ meetrile LIGO 4 km haru kohta). Muutuse mõõtmiseks kasutatakse:

• Fabry–Péroti õõnsusi harudes, mis pikendavad optilist teepikkust ja tõstavad tundlikkust;
• võimu- ja signaaliringlust (power/signal recycling), mis suurendavad laserivõimsust ja signaali nähtavust;
• kuivseismi- ja magnetisolatsiooni süsteeme, mis vähendavad mürataset (nt maapinna vibratsioonid, tuule, inimsõlmestuse mürad);
• peeglite ripp-süsteeme (mitmeastmelised riputused), mis isoleerivad optika hüperpeenest liikumisest.

Teaduslikud tulemused ja tähtsus

LIGO avastused on avanud uue vaatlusaluse akna universumi uurimiseks:

• esimesed otsesed tõendid mustade aukude paaride ühinemisest (GW150914 ja järgnevad);
• tuvastus GW170817 – neutrontähtede ühinemine – mis andis nii gravitatsioonilainete kui ka elektromagnetilise kiirguse vaatlusi (gamma-, optiline, raadio) ja võimaldas uurida tuuma‑ ja astrofüüsika protsesse ning määrata täiendavalt Hubble’i konstandi piiranguid;
• võimalus testida üldrelatiivsusteooria ennustusi tugevates gravitatsiooniväljas ning otsida uusi füüsika nähtusi (nt massiivsed gravitonid, täiendavad polarisatsioonid jt);
• kaartide koostamine gravitatsioonilainete allikatest ja uute astrofüüsikaliste allikate avastamine.

Tulevik ja arengud

LIGO jätkab tundlikkuse ja tööseisundi parandamist, samuti koordinatsiooni rahvusvaheliste võrkudega, mis suurendab avastuste sagedust ja võimaldab paremini määrata allikate asukohti taevas. Uued tehnoloogiad, nagu valguse “suruvalguse” (squeezed light) kasutamine mürataseme vähendamiseks ja tulevased veelgi pikemate mõõteseadistuste projektid (näiteks kosmosepõhised interferomeetrid), avardavad gravitatsioonilaineastronoomiat veelgi.

Kokkuvõte: LIGO on kergitanud gravitatsioonilainete uurimise praktiliselt teoreetilisest ideest aktiivseks vaatlusvaldkonnaks. Selle kaudu saanud andmed annavad unikaalse võimaluse vaadata universumit otse ruumi‑aja kõikumiste kaudu ning on toonud kaasa nii tehnoloogilise arengu kui ka uued teadmised taevakehade ja fundamentaalsete füüsikareeglite kohta.

Küsimused ja vastused

K: Mis on laserinterferomeetri gravitatsioonilainete observatoorium (LIGO)?

K: Kes rahastas algset LIGO projekti?

K: Kuidas suurendasid LIGO täiustused selle tundlikkust?

K: Mis on interferomeeter?

K: Kuidas mõjutavad ruumilis-ajalised muutused laserkiire interferomeetris?

K: Mis oli LIGO kõige ambitsioonikam projekt, mida NSF kunagi rahastas?

Otsing