Du märkte förmodligen inte den gravitationella vågen som förökade sig genom jorden tidigt på morgonen den 4 januari, 2017, men tack vare en sofistikerad användning av vakuumteknik, ett par extremt känsliga laserinterferometrar, en i Washington State och den andra i Louisiana, upptäckte det svaga mullret från två kolliderande svarta hål cirka 3 miljarder ljusår bort.
I en presentation under AVS 64th International Symposium and Exhibition, hålls 31 oktober-nov. 2, 2017, i Tampa, Florida, astrofysikerna Rai Weiss (som, tillsammans med två andra, tilldelades Nobelpriset i fysik 2017) och Michael Zucker från Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), drivs av Caltech och Massachusetts Institute of Technology, kommer att beskriva hur LIGO -forskare och ingenjörer utformade och konstruerade LIGOs geniala, ultrahögt vakuumsystem. Systemet är en integrerad del av det som gör det möjligt att identifiera gravitationella vågor, minutförvrängningar i tyget av rymd och tid som sprider sig med ljusets hastighet.
"Gravitationsvågorna som genereras av accelerationen av ett par svarta hål rör sig utåt som vågor i en damm, "Sa Weiss." De snedvridningar av rymden de framkallar blir svagare omvänt proportionella mot deras avstånd från källan, så vågor som reser miljarder ljusår till jorden kan bara detekteras om man kan mäta ett avstånd på 10^-18 meter —1/10, 000:e bredden på en proton - vilket är den lilla mängd vår interferometers speglar rörs av en förbigående våg. "
För att utföra den herkuliska uppgiften, Weiss förklarade, speglarna är upphängda i båda ändar av LIGO-interferometerns två armar på 4 kilometer. Speglarna bildar ett optiskt hålrum där ljus kan studsa fram och tillbaka längs armarna många gånger. En laserstråle skickas genom en splitter vid korsningen av armarna, separera ljuset i två strålar. De optiska hålrummen reflekterar strålarna tillbaka till delaren där de slås samman till en enda enhet, som sedan träffar en fotodetektor.
"Om de delade strålarna har rest samma sträcka i båda optiska hålrummen, de två strålarna kommer att förstöra destruktivt, ' det är, avbryta varandra vid fotodetektorn, "Sade Zucker." Men om armlängderna ändras så att en stråle tillbringar mer tid i sitt hålrum medan den andra strålen tillbringar mindre tid i den andra - som de kommer att göra en liten bit när en gravitationell våg passerar genom systemet - ljusvågorna avbryts inte och lite ljus spelas in på fotodetektorn. "
Så, hur spelar vakuumtekniken en roll för att detta ska hända? Weiss sa att molekyler av vilken gas som helst som finns i interferometerarmarna kan sprida laserljuset eller producera ett dominerande brus som skulle dölja små förändringar i strålarna på grund av gravitationella vågor. Att arbeta i vakuum eliminerar dessa problem, liksom den ytterligare risken för termiskt genererade gasmolekyler som orsakar fluktuationer i håligheternas längd.
Den skrämmande uppgiften för LIGO -teamet, Zucker sa, var att designa och konstruera en effektiv, men ändå ekonomiskt, system som kan uppnå det extrema vakuum som behövs för interferometern:100 nanopascal, en biljondel av en atmosfär och motsvarar nästan frånvaro av tryck i låg jordbana.
I deras presentation, Weiss och Zucker kommer att fokusera på den grundläggande fysik och tekniska expertis som behövs för att bygga och driva världens näst största ultrarena vakuumsystem, möter utmaningar som 40 dagars konstant "pumpdown" för att uppnå det optimala arbetstrycket, 30 dagars uppvärmning av rören (armarna) för att driva ut restgaser, och 24/7 drift och övervakning av jonpumpar och kryopumpar med flytande kväve som håller LIGO -interferometern fri från föroreningar.
