LIVINGSTON, La. - Cirka en och en halv mil från en så stor byggnad att du kan se den från rymden, varje bil på vägen bromsar till en krypning. Förarna vet att ta hastighetsgränsen på 10 km / h mycket allvarligt: Det beror på att byggnaden innehåller en massiv detektor som jakter på himmelsvibrationer i minsta skala som någonsin har försökt. Inte förvånansvärt är det känsligt för alla jordiska vibrationer runt det, från rusling av en förbipasserande bil till naturkatastrofer på andra sidan världen.
Som ett resultat måste forskare som arbetar vid en av LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) -detektorerna gå till extraordinära längder för att jaga och ta bort alla potentiella bruskällor - bromsa trafiken runt detektorn, övervaka varje lilla tremor i mark, till och med avstängning av utrustningen från ett fyrdubbelt pendelsystem som minimerar vibrationer - allt i försök att skapa den mest "tysta" vibrationsplatsen på jorden.
"Allt handlar om brusjakt", sa Janeen Romie, gruppledare för detektor-ingenjör vid LIGO-detektorn i Louisiana.
Varför är LIGO-fysiker så besatta av att eliminera buller och skapa den mest vibrationsfria platsen på planeten? För att förstå det måste du veta vad gravitationsvågor är och hur LIGO i första hand upptäcker dem. Enligt allmän relativitet är rymden och tiden en del av samma kontinuum, som Einstein kallade rymdtid. Och i rymden kan snabbt accelererande massiva föremål ge gravitationsvågor, som ser ut som krusningarna som strålar utåt när en sten rullas på ytan av ett damm. Dessa vågor avslöjar sträckningen och sammandragningen av själva kosmos.
Hur mäter du förändringar i rymdtiden, när någon mätanordning skulle uppleva samma förändringar? Den geniala lösningen är det som kallas en interferometer. Det förlitar sig på att gravitationsvågor sträcker sig rymdtid längs en riktning, samtidigt som de drar sig längs den vinkelräta riktningen. Tänk på en boj på vattnet: När en våg passerar, bobbar den upp och ner. När det gäller en gravitationsvåg som strålar över jorden, svänger allt någonsin så lite fram och tillbaka, istället för upp och ner.
LIGOs detektor består av en laserljuskälla, en stråldelare, flera speglar och en ljusdetektor. Ljuset lämnar lasern, delas upp i två vinkelräta strålar av en strålsplitter, och reser sedan lika långa avstånd ner i interferometerns armar till två speglar, där ljuset reflekteras tillbaka neråt armarna. Båda balkarna träffar sedan detektorn, som är placerad mittemot en av de reflekterande speglarna. När en gravitationsvåg passerar interferometern gör den en av armarna lite längre, och den andra något kortare, eftersom den sträcker utrymmet längs en riktning medan den komprimeras längs en annan. Denna oändliga små förändringsregistrering i ljusmönstret som träffar ljuset detektor. LIGOs känslighetsnivå motsvarar "att mäta avståndet till närmaste stjärna (cirka 4,2 ljusår) till en noggrannhet som är mindre än bredden på ett mänskligt hår", enligt LIGO: s samarbetswebbplats.
För att kunna upptäcka hårets breddvåg går forskare i extrem längd för att eliminera eventuella störningar i denna fininställda uppsättning, sa Carl Blair, en postdoktorisk forskare vid LIGO som studerar optomekanik eller ljusinteraktion med mekaniska system.
Till att börja med är de 2,5 mil långa (4 kilometer) armarna i ett av världens mest perfekta vakuum, vilket betyder att det är nästan molekylfritt, så ingenting kan störa strålens väg. Detektorerna är också omgiven av alla typer av enheter (seismometrar, magnetometrar, mikrofoner och gammastråldetektorer, för att nämna några) som mäter störningar i data och tar bort dem.
Allt som kan störa eller felaktigt tolkas som en gravitationsvågsignal måste också jaktas och elimineras, sade Blair. Det inkluderar brister i själva detektorn - det som kallas brus - eller icke-astrofysiska störningar som plockas upp av instrumentet - vad som kallas glitches. Fysiker måste till och med redogöra för vibrationerna hos atomerna som utgör detektorns spegel och slumpmässiga fluktuationer i strömmen i elektroniken. I större skala kan glitches vara allt från ett passande godståg till en törstig korp.
Och glitches kan vara riktigt knepigt att spika ner. När Arnaud Pele gick med i detektor-ingenjörsteamet vid LIGO fick han i uppgift att räkna ut var en särskilt irriterande störning kom från: instrumenten som mätte markens rörelse runt gravitationsvågdetektorerna registrerade en konstant spik, och ingen visste varför. Efter flera månader med trolldragning fann han den skyldige: en otydlig sten som låg mellan marken och några mekaniska fjädrar under ett ventilationssystem. På grund av berget kunde fjädrarna inte förhindra att ventilatorns vibrationer dyker upp i detektorn, vilket orsakade mysteriesignalen. "Det är en riktigt rolig del av mitt jobb, att göra detektivdetaljer," sa Pele. "För det mesta är det enkla lösningar." I jakten på oändligt små vibrationer från universums avstånd kan det verkliga arbetet vara mycket nere på jorden.
Det viktigaste är kanske att det finns tre detektorer: Förutom den i Louisiana finns det en i Hanford, Washington, och en tredje i Italien: "Om något är verkligt måste det se samma ut i alla detektorer," säger LIGO-samarbetsmedlem Salvatore Vitale, biträdande professor i fysik vid MIT. Om det är ett godståg eller en sten som ligger under en vår, kommer det bara att dyka upp i en av de tre detektorerna.
Med alla dessa verktyg och några mycket sofistikerade algoritmer kan forskare kvantifiera sannolikheten för att en signal verkligen är en gravitationsvåg. De kan till och med beräkna den falska larmfrekvensen för en given upptäckt, eller möjligheten att den exakta signalen skulle inträffa av misstag. En av händelserna från tidigare i sommar, till exempel, hade en falsk larmfrekvens på mindre än en gång på 200 000 år, vilket gjorde det till en extremt tvingande kandidat. Men vi måste vänta tills den slutliga domen är ute.
Rapporteringen för denna artikel stöds delvis av ett bidrag från National Science Foundation.
