211service.com
Listening to the Heavens: Oppdagelsen av gravitasjonsbølger beviste at Einstein hadde rett
i samarbeid med NAVN
Begivenheten var betydningsfull – og uttalelsen som kunngjorde den til verden kom i en behørig begeistret tone, samtidig som den var sparsom og til poenget: Mine damer og herrer, vi … har oppdaget … gravitasjonsbølger! Vi gjorde det!
Med disse ordene avslørte David Reitze, administrerende direktør for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), funnet for et rom fullpakket med journalister ved National Press Club i Washington, DC, 11. februar 2016. (Selve oppdagelsen skjedde 14. september 2015.)
Oppdagelsen ga det første beviset for å støtte Albert Einsteins tro på eksistensen av gravitasjonsbølger som var en del av hans generelle relativitetsteori. Et nytt felt av vitenskapelig undersøkelse, kalt gravitasjonsbølgeastronomi, drev denne bemerkelsesverdige prestasjonen ved LIGO – gjennom bruken av en laserenhet, kalt et interferometer, som inkluderer høypresisjonssensorer, operasjonsforsterkere og andre produkter fra Analog Devices, Inc. (ADI).
Kilden til gravitasjonsbølgen var kollisjonen av to sorte hull, 1,3 milliarder lysår unna Jorden, som skapte en gravitasjonsbølgekraft 10 ganger større enn den samlede utstrålte energien til alle stjernene i universet.
De fant Einsteins gravitasjonsbølger 100 år senere, og det skjedde akkurat her, og her er maskinen som gjorde det, undrer David Kress, direktør for teknisk markedsføring ved ADI og en MIT-alumnus. Det er ikke noe bedre – og jeg vet at delene våre er i det.
Å lytte til universet
LIGO består av to observatorier og fasiliteter – det ene i Hanford, Washington, og det andre i Livingston, Louisiana – som begge startet i drift i 2002. National Science Foundation (NSF) finansierte det storskala fysikkprosjektet, og disse fasilitetene ble den gang opprettet, bygget og drevet av Caltech og MIT. Tvillingobservatoriene, som er blant de største og mest ambisiøse NSF-finansierte prosjektene til dags dato, ble designet for å observere astrofysiske gravitasjonsbølger - som faktisk ikke kan sees. Den eneste måten å oppdage eksistensen av gravitasjonsbølger er å lytte til himmelen.
Hvert LIGO-anlegg plasserer en laser i et ultrahøyt vakuum, deler laseren i to og sender hver stråle ned en av to 2,5-mile armer satt vinkelrett på hverandre. Laserstrålene reflekteres deretter tilbake fra speil plassert i endene av armene.
Interferometre er etterforskningsverktøy som rutinemessig brukes i vitenskap og ingeniørfag. De fungerer ved å slå sammen to eller flere lyskilder for å skape et interferensmønster, som kan måles og analyseres. LIGOs interferometre er designet for å oppdage målinger som er for små til å kunne oppnås med andre metoder.
Når en gravitasjonsbølge passerer, endrer den tiden i området rundt, og forårsaker en liten bevegelse av armene i forhold til hverandre, i størrelsesorden 1/1000 av bredden til et proton. Det endrer de relative fasene til det returnerte lyset når enhetene mottar dataene, og slipper lys til en optisk sensor, noe som resulterer i et målbart signal eller kvitring.
Når du tenker på et tradisjonelt observatorium, får du et mentalt bilde av noen som titter gjennom en søker og ser ut i verdensrommet gjennom et teleskop som er designet for å motta lys, sier Rich Abbott, ledende analoge kretsdesigner ved LIGO. Det LIGO gjør - og det som gjør det unikt - er at det måler gravitasjonsbølger, som ikke vises som lys. For å beskrive den eksepsjonelle følsomheten til LIGOs interferometer, sammenligner han det med en vekt: Hvis du kunne ta all sanden fra alle strendene våre på jorden og stable den på vekten, er LIGO-detektoren tilstrekkelig følsom til at du kunne oppdage fjerningen på mindre enn et sandkorn.
Høy ytelse: LIGO og ADI-teknologi
LIGO bruker en rekke integrerte kretsteknologier fra ADI. LIGO-interferometrene fungerer ved å forutsi og kompensere for alle mulige omgivelsesstøy- og vibrasjonskilder. Det betyr at laserutgangen som brukes av interferometeret må forbli ultrastabil, med ekstremt små variasjoner i frekvens og amplitude.
Av den grunn trengte LIGO-teamet et tilbakemeldingssystem for adekvat å måle lyseffekten mens de kontrollerte amplituden. Det krevde en forsterker med ultralav støy og høy ytelse. LIGO-teamet valgte ADIs AD797 operasjonsforsterker (eller op-forsterker) på grunn av sine svært lave støy- og lavforvrengningsegenskaper. AD797 op amp brukes også i infrarøde og ekkoloddavbildningsapplikasjoner, blant annet. Andre ADI-produkter brukes også i LIGO-teknologien:
- ADIs AD590 høypresisjonstemperatursensor stabiliserer laserfrekvensen og måler gjennomsnittstemperaturen til glassvakuumkammeret som huser laseren.
- Utgang i laseren kan raskt bygge seg opp til kilowatt innenfor resonanshulene i armene, og forvrenge målingene. LIGO bruker en ADA4700 høyspent operasjonsforsterker for å drive elektrostatiske aktuatorer for å holde speilene på linje.
- Solenoider driver LIGOs speilfjæringssystem. I det systemet måler AD736 RMS-brikken krafttilførselen til solenoidene, og muliggjør nødvendig og presis tilt, pitch og giring.
Å stabilisere laserens amplitude er blant nøklene til dens vellykkede gjenkjennelse av gravitasjonsbølgene fordi svingninger kan virke som signaler, bemerker Abbott. Derfor trengte vi en så fokusert, ikke-hagevariant løsning.
Beviser Einstein rett gjennom ytelse
Det første bildet noensinne av et ekte gravitasjonsbølgesignal ble først oppdaget ved LIGO Livingston; så bare 7 millisekunder senere, kom den til Hanford-stedet. Oppdagelsen skjedde i løpet av den første uken med bruk av nye avanserte LIGO laserdetektorer, som inkluderte ADI integrerte kretsteknologier. LIGO-teamet var begeistret for å oppdage gravitasjonsbølgene så kort tid etter at den nye enheten ble installert - og at signalet var så høyt at det var umiskjennelig.
Etterslepet mellom gravitasjonsbølgesignalets oppdagelse og dets offentlige avduking reflekterte teamets behov for å undersøke og bekrefte at det faktisk var ekte. I flere uker utførte LIGO-forskere eksperimenter ved begge observatoriene for å utelukke muligheten for at en instrumentell anomali eller programvarefeil forårsaket signalene. Til slutt fullførte forskere det som er kjent som en korrelasjons- og koblingsanalyse, som konkluderte med at signalet bare kunne ha sin opprinnelse i det dype rom. Alle LIGO-ansatte ble sverget til hemmelighold fra da til den offentlige kunngjøringen.
Senere ble en andre gravitasjonsbølge oppdaget 1. juledag, 2015. Igjen undersøkte forskere grundig, og etter å ha bekreftet signalets kosmiske opprinnelse, kunngjorde de oppdagelsen den 15. juni 2016.
Da Einstein foreslo eksistensen av gravitasjonsbølger og sorte hull, mente han at det i hovedsak ville være umulig å faktisk fastslå dem. Det faktum at ADI-sensorer og andre enheter bidro til presisjonen til interferometrene som til slutt oppnådde denne bragden, er fortsatt en kilde til stor stolthet for de som er involvert i utviklingen av teknologien.
Analog Devices har støttet presisjonsapplikasjoner for jordobservasjon, romkommunikasjonsposisjonering, bæreraketter og romutforskning i over 40 år nå, sier Bob Barfield, direktør for romfart og forsvar i ADI. Når du tenker på hva som er i rommet og hva som er hinsides det vi vet akkurat nå, er det sjokkerende. Noen av tingene som blir oppdaget – det er bare spennende å tenke på at vi er på kanten av det.
For å lære mer og se en video om LIGO-prosjektet, besøk www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .