At lytte til himlen: Opdagelsen af ​​gravitationsbølger viste sig, at Einstein havde ret

i samarbejde med NAVN

Begivenheden var betydningsfuld - og erklæringen, der bekendtgjorde den til verden, kom i en behørigt ophidset tone, samtidig med at den var sparsom og præcis: Mine damer og herrer, vi ... har opdaget ... gravitationsbølger! Vi gjorde det!

Med disse ord afslørede David Reitze, administrerende direktør for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), opdagelsen for et værelse fyldt med journalister på National Press Club i Washington, DC, den 11. februar 2016. (Den faktiske opdagelse fandt sted den 14. september 2015.)

Opdagelsen gav det første bevis for at understøtte Albert Einsteins tro på eksistensen af ​​gravitationsbølger, der var en del af hans generelle relativitetsteori. Et nyt område for videnskabelig undersøgelse, kaldet gravitationsbølgeastronomi, gav næring til denne bemærkelsesværdige præstation hos LIGO - gennem brugen af ​​en laserenhed, kaldet et interferometer, der inkluderer højpræcisionssensorer, operationsforstærkere og andre produkter fra Analog Devices, Inc. (ADI).

Kilden til gravitationsbølgen var kollisionen af ​​to sorte huller, 1,3 milliarder lysår væk fra Jorden, som skabte en gravitationsbølgekraft 10 gange større end den kombinerede udstrålede energi fra alle stjernerne i universet.

De fandt Einsteins [tyngdekraft]-bølger 100 år senere, og det skete lige her, og her er maskinen, der gjorde det, undrer David Kress, direktør for teknisk marketing hos ADI og en MIT-alumne. Der er ikke noget bedre - og jeg ved, at vores dele er i det.

At lytte til universet

LIGO består af to observatorier og faciliteter – det ene i Hanford, Washington og det andet i Livingston, Louisiana – som begge begyndte at fungere i 2002. National Science Foundation (NSF) finansierede det storstilede fysikprojekt, og disse faciliteter blev dengang skabt, bygget og drevet af Caltech og MIT. De to observatorier, som er blandt de største og mest ambitiøse NSF-finansierede projekter til dato, blev designet til at observere astrofysiske gravitationsbølger - som faktisk ikke kan ses. Den eneste måde at opdage eksistensen af ​​gravitationsbølger er at lytte til himlen.

Hver LIGO-facilitet placerer en laser i et ultrahøjt vakuum, deler laseren i to og sender hver stråle ned ad en af ​​to 2,5-mile arme sat vinkelret på hinanden. Laserstrålerne reflekteres derefter tilbage fra spejle placeret i enderne af armene.

Interferometre er efterforskningsværktøjer, der rutinemæssigt bruges i videnskab og teknik. De fungerer ved at fusionere to eller flere lyskilder for at skabe et interferensmønster, som kan måles og analyseres. LIGOs interferometre er designet til at detektere målinger, der er for små til at kunne opnås med andre metoder.

Når en gravitationsbølge passerer, ændrer den tiden i det omkringliggende område, hvilket forårsager en minuts bevægelse af armene i forhold til hinanden, i størrelsesordenen 1/1000 af en protons bredde. Det ændrer de relative faser af det returnerede lys, når enhederne modtager dataene, og frigiver lys til en optisk sensor, hvilket resulterer i et målbart signal eller chirp.

Når du tænker på et traditionelt observatorium, får du et mentalt billede af nogen, der kigger gennem en søger og kigger ud i rummet gennem et teleskop, der er designet til at modtage lys, siger Rich Abbott, ledende analoge kredsløbsdesigner hos LIGO. Hvad LIGO gør - og hvad der gør det unikt - er, at det måler gravitationsbølger, som ikke dukker op som lys. For at beskrive den usædvanlige følsomhed af LIGO's interferometer sammenligner han det med en vægt: Hvis du kunne tage alt sand fra alle vores strande på Jorden og stable det på vægten, er LIGO-detektoren tilstrækkelig følsom til, at du kunne opdage fjernelsen på mindre end et sandkorn.

Høj ydeevne: LIGO og ADI-teknologi

LIGO bruger et væld af integrerede kredsløbsteknologier fra ADI. LIGO interferometre virker ved at forudsige og kompensere for alle mulige omgivende støj- og vibrationskilder. Det betyder, at laseroutputtet, der bruges af interferometeret, skal forblive ultrastabilt med ekstremt små variationer i frekvens og amplitude.

Af den grund havde LIGO-teamet brug for et feedback-system til tilstrækkeligt at måle lysoutput, mens amplituden kontrolleres. Det krævede en ultra-støjsvag forstærker med høj ydeevne. LIGO-teamet valgte ADI's AD797 operationsforstærker (eller op-forstærker) for dens meget støjsvage og lave forvrængningsevner. AD797 op-forstærkeren bruges også i blandt andet infrarøde og ekkolodsbilledapplikationer. Andre ADI-produkter bruges også i LIGO-teknologien:

  • ADI’s AD590 højpræcisionstemperatursensor stabiliserer laserfrekvensen og måler gennemsnitstemperaturen i glasvakuumkammeret, der huser laseren.
  • Output i laseren kan hurtigt bygge op til kilowatt i armenes resonanshulrum, hvilket forvrænger målingerne. LIGO bruger en ADA4700 højspændingsoperationsforstærker til at drive elektrostatiske aktuatorer for at holde spejlene på linje.
  • Solenoider driver LIGOs spejlophængssystem. I dette system måler AD736 RMS-chippen strømforsyningen til solenoiderne, hvilket muliggør enhver påkrævet og præcis hældning, hældning og krøjning.

Stabilisering af laserens amplitude er blandt nøglerne til dens vellykkede genkendelse af gravitationsbølgerne, fordi udsving kan se ud som signaler, bemærker Abbott. Derfor havde vi brug for en så fokuseret, ikke-havevariant løsning.

Beviser Einstein lige gennem ydeevne

Det første nogensinde billede af et ægte gravitationsbølgesignal blev oprindeligt detekteret ved LIGO Livingston; så kun 7 millisekunder senere ankom den til Hanford-stedet. Opdagelsen skete i løbet af den første uge med brug af nye avancerede LIGO laserdetektorer, som inkluderede ADI integrerede kredsløbsteknologier. LIGO-teamet var begejstret for at opdage gravitationsbølgerne så hurtigt efter installationen af ​​den nye enhed - og at signalet var så højt, at det var umiskendeligt.

Forsinkelsen mellem gravitationsbølgesignalets opdagelse og dets offentlige afsløring afspejlede holdets behov for at undersøge og bekræfte, at det faktisk var ægte. I flere uger udførte LIGO-forskere eksperimenter ved begge observatorier for at udelukke muligheden for, at en instrumentel anomali eller softwarefejl forårsagede signalerne. Til sidst afsluttede videnskabsmænd, hvad der er kendt som en korrelations- og koblingsanalyse, som konkluderede, at signalet kun kunne være opstået i det dybe rum. Alle LIGO-medarbejdere har taget tavshedspligt fra da og indtil den offentlige meddelelse.

Senere blev en anden gravitationsbølge detekteret juledag 2015. Igen undersøgte videnskabsmændene grundigt, og efter at have bekræftet signalets kosmiske oprindelse annoncerede de dets påvisning den 15. juni 2016.

Da Einstein foreslog eksistensen af ​​gravitationsbølger og sorte huller, mente han, at det i det væsentlige ville være umuligt rent faktisk at fastslå dem. Det faktum, at ADI-sensorer og andre enheder bidrog til præcisionen af ​​de interferometre, der til sidst opnåede denne bedrift, er fortsat en kilde til stor stolthed for dem, der er involveret i udviklingen af ​​teknologien.

Analog Devices har understøttet præcisionsapplikationer til jordobservation, rumkommunikationspositionering, løftefartøjer og rumudforskning i over 40 år nu, siger Bob Barfield, direktør for rumfart og forsvar hos ADI. Når du tænker på, hvad der er i rummet, og hvad der er hinsides, hvad vi ved lige nu, er det ufatteligt. Nogle af de ting, der bliver opdaget - det er bare spændende at tænke på, at vi er på kanten af ​​det.

For at lære mere og se en video om LIGO-projektet, besøg www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

skjule