Tampilan udara dari detektor gelombang gravitasi Virgo yang terletak di kotamadya Cascina dekat kota Pisa di Italia. Virgo adalah interferometer laser Michelson raksasa sepanjang 3 km dengan bahu melengkapi dua detektor LIGO 4 km yang identik.Selama tiga tahun terakhir, umat manusia memiliki jenis astronomi baru, yang berbeda dari yang tradisional. Untuk mempelajari alam semesta, kita tidak lagi hanya menangkap cahaya dengan teleskop atau neutrino menggunakan detektor besar. Selain itu, untuk pertama kalinya, kita juga bisa melihat riak yang melekat dalam ruang itu sendiri: gelombang gravitasi.
Detektor LIGO sekarang dilengkapi oleh
Virgo , dan akan segera dilengkapi oleh
KAGRA dan LIGO India, memiliki lengan yang sangat panjang yang mengembang dan berkontraksi ketika gelombang gravitasi lewat, menghasilkan sinyal yang dapat dideteksi. Tetapi bagaimana cara kerjanya? Pembaca kami bertanya:
Jika panjang gelombang cahaya meregang dan berkontraksi bersama dengan ruang-waktu itu sendiri, bagaimana LIGO dapat mendeteksi gelombang gravitasi? Bagaimanapun, mereka mengembang dan menekan kedua lengan detektor, sehingga gelombang di dalamnya juga harus mengembang dan berkontraksi. Apakah jumlah panjang gelombang yang masuk ke bahu tidak akan tetap konstan, akibatnya pola interferensi tidak akan berubah, dan gelombang tidak akan terdeteksi?
Ini adalah salah satu paradoks paling umum yang dipikirkan orang tentang gelombang gravitasi. Mari kita mencari tahu dan menemukan solusi untuk itu!
Faktanya, sistem seperti LIGO atau LISA hanyalah laser yang berkasnya melewati splitter dan melewati jalur tegak lurus yang sama, dan kemudian menyatu lagi menjadi satu dan menciptakan gambar gangguan. Dengan perubahan panjang bahu, gambar juga berubah.Detektor gelombang gravitasi bekerja seperti ini:
- Dua bahu panjang dengan panjang yang sama dibuat, di mana bilangan bulat dengan panjang gelombang cahaya tertentu.
- Semua materi dikeluarkan dari pundak dan ruang hampa yang ideal dibuat.
- Cahaya koheren dengan panjang gelombang yang sama dibagi menjadi dua komponen tegak lurus.
- Satu berjalan di satu bahu, yang lain di sisi lain.
- Cahaya dipantulkan dari kedua ujung bahu masing-masing ribuan kali.
- Kemudian bergabung kembali, menciptakan pola interferensi.
Jika panjang gelombang tetap sama dan kecepatan transmisi cahaya di setiap bahu tidak berubah, maka cahaya yang bergerak dalam arah tegak lurus akan tiba pada waktu yang sama. Tetapi jika di salah satu arah ada angin sakal atau angin sakal, kedatangan akan tertunda.Jika gambar interferensi tidak berubah sama sekali tanpa adanya gelombang gravitasi, Anda tahu bahwa detektor dikonfigurasi dengan benar. Anda tahu bahwa Anda memperhitungkan kebisingan, dan bahwa percobaan diatur dengan benar. Selama hampir 40 tahun, LIGO telah berjuang dengan tugas seperti itu: mencoba untuk mengkalibrasi detektor mereka dengan benar dan membawa kepekaan ke titik di mana percobaan dapat mengenali sinyal sebenarnya dari gelombang gravitasi.
Besarnya sinyal ini sangat kecil, dan karena itu sangat sulit untuk mencapai akurasi yang diperlukan.
Sensitivitas LIGO sebagai fungsi waktu dibandingkan dengan sensitivitas percobaan LIGO Lanjutan. Semburan muncul karena berbagai sumber kebisingan.Tetapi setelah mencapai apa yang Anda inginkan, Anda sudah dapat mulai mencari sinyal nyata. Gelombang gravitasi adalah unik di antara semua jenis radiasi yang muncul di alam semesta. Mereka tidak berinteraksi dengan partikel, tetapi merupakan riak dari struktur ruang yang sangat.
Ini bukan radiasi monopoli (transfering charge) dan bukan dipol (seperti osilasi medan elektromagnetik), tetapi bentuk radiasi quadrupole.
Dan alih-alih medan listrik dan magnet pencocokan fasa berjalan tegak lurus terhadap arah gerakan gelombang, gelombang gravitasi bergantian meregangkan dan memampatkan ruang yang dilewatinya melalui arah tegak lurus.
Gelombang gravitasi merambat dalam satu arah, secara bergantian meregangkan dan menekan ruang dalam arah tegak lurus, ditentukan oleh polarisasi gelombang gravitasi.Karena itu, detektor kami dirancang seperti itu. Ketika gelombang gravitasi melewati detektor tipe LIGO, salah satu pundaknya berkontraksi dan yang lainnya mengembang, dan sebaliknya, memberikan gambaran osilasi timbal balik. Detektor secara khusus terletak di sudut satu sama lain dan di tempat yang berbeda di planet ini, sehingga terlepas dari orientasi gelombang gravitasi yang melewatinya, sinyal ini tidak mempengaruhi setidaknya satu dari detektor.
Dengan kata lain, terlepas dari orientasi gelombang gravitasi, akan selalu ada detektor di mana satu bahu diperpendek dan yang lainnya diperpanjang dengan cara berosilasi yang dapat diprediksi ketika gelombang melewati detektor.
Apa artinya ini dalam kasus cahaya? Cahaya selalu bergerak dengan kecepatan konstan c, dari 299 792 458 m / s. Ini adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan ada ruang vakum di dalam bahu LIGO. Dan ketika gelombang gravitasi melewati masing-masing bahu, memanjang atau memendeknya, itu juga memperpanjang atau memperpendek panjang gelombang cahaya di dalamnya dengan jumlah yang sesuai.
Pada pandangan pertama, kita memiliki masalah: jika cahaya memanjang atau memendek seiring dengan pemanjangan atau pemendekan bahu, maka pola interferensi keseluruhan tidak boleh berubah dengan berlalunya gelombang. Inilah yang dikatakan oleh intuisi kepada kita.
Lima merger black hole dengan black hole ditemukan oleh LIGO (dan Virgo), dan satu lagi, sinyal keenam yang tidak cukup signifikan. Sejauh ini, BH yang paling masif yang diamati di LIGO memiliki 36 massa matahari sebelum merger. Namun, galaksi memiliki lubang hitam supermasif, dengan massa melebihi matahari hingga jutaan atau bahkan milyaran kali, dan meskipun LIGO tidak mengenalinya, LISA dapat melakukan ini. Jika frekuensi gelombang cocok dengan waktu yang dihabiskan balok dalam detektor, kita bisa berharap untuk mengekstraknya.Tapi ini tidak berfungsi seperti itu. Panjang gelombang, yang sangat tergantung pada perubahan ruang ketika gelombang gravitasi melewatinya, tidak mempengaruhi gambar interferensi. Hanya jumlah waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melewati pundaklah yang penting!
Ketika gelombang gravitasi melewati salah satu pundak, ia mengubah panjang efektif bahu, dan mengubah jarak yang harus dilalui oleh masing-masing sinar. Satu bahu memanjang, menambah waktu berlalunya, yang lain dipersingkat, menguranginya. Dengan perubahan relatif pada waktu kedatangan, kita melihat pola osilasi, menciptakan kembali pergeseran pola interferensi.
Gambar tersebut menunjukkan rekonstruksi empat sinyal spesifik dan satu potensial (LVT151012) dari gelombang gravitasi yang terdeteksi oleh LIGO dan Virgo pada 17 Oktober 2017. Deteksi lubang hitam terbaru, GW170814, dibuat pada ketiga detektor. Perhatikan singkatnya penggabungan - dari ratusan milidetik hingga 2 detik maksimum.Setelah penyatuan kembali sinar, perbedaan waktu perjalanan mereka muncul, dan, oleh karena itu, perubahan yang dapat dideteksi dalam pola interferensi. Kolaborasi LIGO sendiri telah
menerbitkan analogi yang menarik tentang apa yang terjadi:
Bayangkan Anda ingin membandingkan dengan teman berapa lama waktu yang Anda perlukan untuk sampai ke ujung lengan interferometer dan sebaliknya. Anda setuju untuk bepergian dengan kecepatan satu kilometer per jam. Seperti sinar laser LIGO, Anda benar-benar meninggalkan stasiun sudut pada saat yang sama dan bergerak dengan kecepatan yang sama. Anda harus bertemu lagi secara ketat pada saat yang bersamaan, berjabat tangan dan terus bergerak. Tetapi katakanlah ketika Anda telah berjalan setengah jalan sampai akhir, gelombang gravitasi berlalu. Salah satu dari Anda sekarang harus berjalan lebih jauh, dan yang lainnya lebih sedikit. Ini berarti salah satu dari Anda akan kembali lebih awal dari yang lain. Anda menjangkau untuk menjabat tangan teman Anda, tetapi dia tidak ada di sana! Jabat tanganmu terputus! Karena Anda tahu kecepatan gerakan Anda, Anda dapat mengukur waktu yang dibutuhkan teman Anda untuk kembali, dan menentukan seberapa jauh dia harus bergerak agar terlambat.
Ketika Anda melakukan ini dengan cahaya, dan bukan dengan teman, Anda tidak akan mengukur keterlambatan kedatangan (karena perbedaannya akan sekitar 10
-19 meter), tetapi pergeseran dalam pola interferensi yang diamati.
Ketika dua bahu memiliki ukuran yang sama, dan gelombang gravitasi tidak melewatinya, sinyal akan menjadi nol, dan pola interferensi konstan. Dengan perubahan panjang lengan, sinyal berubah menjadi nyata dan berosilasi, dan pola interferensi berubah dalam waktu dengan cara yang dapat diprediksi.Ya, memang, cahaya mengalami pergeseran merah dan biru ketika gelombang gravitasi melewati tempatnya. Dengan kompresi ruang, panjang gelombang cahaya juga dikompresi, yang membuatnya biru; dengan peregangan dan gelombang ditarik, yang membuatnya lebih merah. Namun, perubahan ini bersifat jangka pendek dan tidak penting, setidaknya dibandingkan dengan perbedaan panjang lintasan yang harus dilalui cahaya.
Ini adalah kunci dari segalanya: lampu merah dengan gelombang panjang dan cahaya biru dengan yang pendek menghabiskan waktu yang sama mengatasi jarak yang sama, meskipun gelombang biru akan mengambil lebih banyak puncak dan penurunan. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa tidak tergantung pada panjang gelombang. Satu-satunya hal yang penting untuk pola interferensi adalah jarak yang harus ditempuh cahaya.
Semakin lama panjang gelombang foton, semakin sedikit energinya. Tetapi semua foton, terlepas dari panjang gelombang dan energi, bergerak dengan kecepatan yang sama: kecepatan cahaya. Jumlah panjang gelombang yang diperlukan untuk menutupi jarak tertentu dapat bervariasi, tetapi waktu yang diperlukan untuk memindahkan cahaya akan sama.Ini adalah perubahan jarak yang ditempuh cahaya ketika gelombang gravitasi melewati detektor yang menentukan perubahan yang diamati dalam pola interferensi. Ketika gelombang melewati detektor, di satu arah bahu memanjang, dan di lain arah itu secara bersamaan memendek, yang mengarah ke pergeseran relatif dalam panjang jalan dan waktu cahaya melewati mereka.
Saat cahaya bergerak melaluinya dengan kecepatan cahaya, perubahan panjang gelombang tidak relevan; ketika mereka bertemu, mereka akan berada di satu tempat dalam ruang-waktu dan panjang gelombang mereka akan sama. Yang penting adalah bahwa satu sinar cahaya akan menghabiskan lebih banyak waktu di detektor, dan ketika mereka bertemu lagi, mereka tidak akan lagi dalam fase. Di sinilah sinyal LIGO berasal, dan dari situlah kami mendeteksi gelombang gravitasi!
Anda dapat menemukan lebih banyak artikel tentang topik sains populer di situs web Golovanov.net . Lihat juga: mengapa hewan siang hari mulai berubah menjadi nokturnal ; mengapa tidak semua yang disebut bintang sebenarnya adalah bintang ; apa arti hidup ; Seri Ask Ethan artikel kosmologi.
Saya mengingatkan Anda bahwa proyek itu hanya ada berkat dukungan pembaca (kartu bank, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoin, tetapi setidaknya). Terima kasih kepada semua orang yang telah memberikan dukungan!
Sekarang Anda dapat mendukung proyek melalui layanan berlangganan otomatis Patreon !