COLUMBUS, Ohio - En gravitationsvågdetektor som är 2,5 mil lång är inte cool. Vet du vad är coolt? En 25 mil lång gravitationsvågdetektor.
Det är resultatet av en serie förhandlingar som gjordes här lördag (14 april) vid American Physical Society i april. Nästa generation gravitationsvågsdetektorer kommer att kika fram till ytterkanten av det observerbara universum och leta efter krusningar i rymdtidens vävnad, som Einstein förutspådde skulle inträffa när massiva föremål som svarta hål kolliderar. Men det finns fortfarande några betydande utmaningar som står i vägen för deras konstruktion, berättade presentatörerna för publiken.
"De nuvarande detektorerna som du kanske tycker är väldigt känsliga", sa Matthew Evans, en fysiker vid MIT, till publiken. "Och det är sant, men de är också de minst känsliga detektorerna som du kan upptäcka gravitationsvågor med."
Nuvarande detektorer är naturligtvis inget att nysa på. När den 2,5 mil långa (4 kilometer) Laserinterferometern Gravitational-Wave Observatory (LIGO) först upptäckte att rymdtiden växer och krymper tillbaka 2015 - gravitationsekonet av en 1,3 miljarder år gammal kollision mellan två svarta hål - det bevisade existensen av de enorma, osynliga gravitationella vågorna som en gång var helt teoretiska och ledde på bara två år till ett Nobelpris för LIGOs skapare.
Men LIGO och dess kusin, det 1,9 mil långa (3 km) italienska instrumentet Virgo, är i grunden begränsat, sade talarna. Båda detektorerna är bara riktigt kapabla att upptäcka gravitationsvågor från föremål som är relativt nära Jorden på hela universums skala, säger MIT-fysiker Salvatore Vitale. De är också begränsade i de typer av objekt de kan upptäcka.
Hittills har det verkligen bara varit två stora resultat från den nuvarande generationen av interferometrar: 2015-upptäckten av ett fusion av svart hål och upptäckten av två neutronstjärnor i augusti 2017 (också ett hett ämne på konferensen). Det har upptäckts några fler kollisioner i svart hål, men de har inte erbjudit mycket i vägen för fantastiska resultat ovanpå den första upptäckten.
Bygg uppskalade, mer exakta LIGOs och Virgos, eller en annan typ av storskalig detektor som kallas ett "Einstein-teleskop", sade Evans, och hastigheten för vågdetektering kan hoppa från en varannan månad till mer än 1 miljon varje år .
"När jag säger att dessa detektorer får oss ut till universumets kant, menar jag att de kan upptäcka nästan alla binära system som smälter samman," sade han och hänvisade till par av stjärnor, svarta hål och neutronstjärnor som kolliderar.
Det betyder möjligheten att upptäcka svarta hål från universums mycket tidiga år, undersöka djupa tyngdmysterier och till och med potentiellt för första gången upptäcka gravitationsvågorna hos en stjärna som går supernova och kollapsar till en neutronstjärna eller svart hål .
Större är bättre
Så varför leder större detektorer till mer känsliga sökningar efter gravitationsvågor? För att förstå det måste du förstå hur dessa detektorer fungerar.
LIGO och Jungfru är, som Live Science tidigare har rapporterat, i grunden gigantiska L-formade linjaler. Två tunnlar grenar sig vinkelrätt från varandra och använder lasrar för att göra extremt fina moment-till-ögonblick mätningar av tunnlarnas längder. När en gravitationsvåg passerar genom detektorn, viftande utrymmet självt, förändras den längden en liten bit. Det som en gång var en mil blir, kort, något mindre än en mil. Och lasern, som korsar det kortare avståndet något snabbare, visar att förändringen har hänt.
Men det finns en gräns för hur bra den mätningen kan vara. De flesta vågor krusar lasern alldeles för lite för att interferometrarna ska märka. Att förbättra detekteringstekniken i LIGO och Virgos befintliga tunnlar kan förbättra saken något, sa Evans, och det finns planer på att göra det. Men för att verkligen förstärka signalen, sa han, är det enda alternativet att gå mycket större.
En L-formad detektor med 24,86 mil långa (40 km) armar, 10 gånger storleken på LIGO, är nästa steg, sade Evans. Han kallade förslaget för en "kosmisk utforskare." Det skulle vara tillräckligt stort för att upptäcka nästan vad som helst som en gravitationsvågdetektor eventuellt skulle kunna upptäcka, sade han, men inte så stor att den underliggande fysiken börjar falla isär eller kostnaderna blir omöjligt höga, även för denna typ av ögonblödande dyra vetenskap projekt. (Den slutliga kostnaden för LIGO fick hundratals miljoner dollar.)
Så varför en detektor av den storleken, snarare än två gånger eller 10 gånger så stor?
Vid en viss tid, ungefär 24,86 mil (40 km) lång, sade Evans, tar ljuset så lång tid att flytta från den ena änden av tunneln till den andra att experimentet kan bli luddigt, vilket gör resultaten mindre exakta snarare än mer.
Minst lika utmanande är kostnaderna. LIGO och Jungfru är tillräckligt små för att jordens krökning inte var en betydande konstruktionsutmaning, sade Evans. Men med 40,86 miles (40 km) per arm innebär det att placera ändarna av varje tunnel på marknivå att tunnlarnas centra måste vara 98,43 fot (30 meter) under jord (förutsatt att marken är perfekt plan).
"Över 40 kilometer," sade Evans, "smutsets lastningsavstånd börjar ta över kostnader."
Det finns också det grundläggande problemet med att hitta ett platt tomt utrymme som är tillräckligt stort för att bygga en så stor detektor. Evans sa att det i princip inte finns någonstans i Europa tillräckligt stort, och i USA är alternativen begränsade till regionen Great Salt Lake i Utah och Black Rock-öknen i Nevada.
Dessa rymdutmaningar driver den alternativa massiva gravitationsvågdetektordesignen, kallad Einstein-teleskopet. Även om en L-form är det bästa sättet att mäta en gravitationsvåg, sade Evans, kan en triangel med tre tunnlar och flera detektorer göra nästan lika bra jobb samtidigt som det tar ett mycket mindre utrymme, perfekt för Europas geografiska begränsningar.
Dessa detektorer är fortfarande 15 till 20 år från slutförandet, sade Vitale, och all teknik som krävs för att bygga dem har ännu inte uppfunnits. Ändå berättade han och Evans de sammansatta forskarna att "tiden är nu" att börja arbeta med dem. Vitale sade redan att det finns åtta arbetsgrupper som förbereder en rapport om den vetenskapliga motiveringen för sådana massiva apparater, som kommer ut i december 2018.
En medlem av publiken frågade Evans om det var meningsfullt att bygga, säga, en 5 mil lång detektor (8 km) medan en sann Cosmic Explorer eller Einstein Telescope i full skala förblir mer än ett decennium bort.
Om han var med i en finansieringskommitté, skulle han inte godkänna ett sådant projekt, eftersom den vetenskapliga avkastningen från att fördubbla LIGO: s storlek bara inte är så stor, sade Evans. Det är bara vid de övre gränserna för tunnelstorlek, att kostnaderna för ett sådant projekt skulle vara motiverade, tillade han.
"Om jag inte vet att det av någon anledning är det bara inte värt det," sade han.
Ändå, sade Vitale, betyder det inte att forskare måste vänta 15 till 20 år på nästa stora fas av gravitationsvågsresultaten. I takt med att fler detektorer i nuvarande skala kommer online, inklusive den jungfrustora Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) i Japan och LIGO-storleken LIGO-Indien, och när de befintliga detektorerna förbättras, kommer forskare att ha möjlighet att mäta enskilda gravitationsvågor från fler vinklar på en gång, vilket möjliggör fler upptäckter och mer detaljerade slutsatser om var de kommer ifrån.
