Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Uda się badać kwantową grawitację? Lustra LIGO schłodzone niemal do zera absolutnego

Recommended Posts

Zestaw czterech 40-kilogramowych luster używanych przez obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO zostały schłodzony tak bardzo, że lustra znalazły się bardzo blisko minimalnego stanu energetycznego. Tym samym są największymi obiektami, jakie kiedykolwiek znajdowały się tak blisko stanu podstawowego. Dotychczas stan podstawowy udało się uzyskać jedynie w przypadku przedmiotów ważących ułamki grama.

W świecie kwantowym temperatura i ruch są jednym i tym samym. Im więcej cząstek się porusza, tym obiekt ma wyższą temperaturę. Aby wprowadzić obiekt w stan podstawowy konieczne jest usunięcie kwantów energii tych wibracji, fononów.

Chirs Whittle i jego zespół z Massachusetts Institute of Technology schłodził cały system z temperatury pokojowej do 77 nanokelwinów. Dokonano tego za pomocą jednego z systemów LIGO, który wykorzystuje światło do pomiaru wibracji luster. Następnie wykorzystano pole elektromagnetyczne do spowolnienia tych wibracji. To działa podobnie, jak w przypadku dziecka na huśtawce. Jeśli chcesz zatrzymać huśtawkę, musisz przyłożyć siłę odwrotnie do kierunku ruchu, mówi Whittle.

Jako, że wibracje, które naukowcy chcieli usunąć, były niezwykle małe, konieczne było dokonanie superprecyzyjnych pomiarów, by się dowiedzieć, jaką siłę należy przyłożyć, by je zniwelować. Dzięki precyzyjnym pomiarom i użyciu niezwykle dokładnych systemów LIGO udało się zmniejszyć liczbę fononów obecnych w dowolnym momencie z 10 bilionów (10 000 000 000 000) do zaledwie 11.

Celem pracy Whittle'a jest wyjaśnienie, dlaczego obiekty makroskopowe nie występują w stanie podstawowym. Niektórzy fizycy sądzą, że przyczyną jest obecność grawitacji. Jeśli chcesz to sprawdzić, potrzebujesz dwóch rzeczy. Po pierwsze, obiektu na tyle dużego, że można zmierzyć wpływ grawitacji na ten obiekt, po drugie – możliwości wprowadzenia tego obiektu w stan podstawowy, mówi jeden z badaczy, Vivishek Sudhir.

Jeśli nauczylibyśmy się standardowo wprowadzać obiekty makroskopowe w stan podstawowy, zwiększyłoby to czułość takich urządzeń jak LIGO. To jednak bardzo odległa przyszłość.

Przed rokiem udało się zmierzyć ruch 40-kilogramowego lustra LIGO wywołany fluktuacjami kwantowymi.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Kolaboracje LIGO i Virgo zaprezentowały dziś nowy katalog GWTC-2 obserwacji fal grawitacyjnych zaobserwowanych od kwietnia do października 2019 r. podczas pierwszej części kampanii obserwacyjnej O3 (O3a). Zbiór zawiera w sumie 39 zdarzeń. Jednocześnie opublikowano nowe prace badawcze, a także obszerne popularne podsumowania ich wyników.
      Wśród ujętych w nowym katalogu zdarzeń znalazły się zjawiska spójne z trzema typami kolizji: dwóch czarnych dziur (ang. binary black holes, BBH), dwóch gwiazd neutronowych (ang. binary neutron stars, BNS) i układów mieszanych złożonych z gwiazdy neutronowej i czarnej dziury (ang. neutron star-black hole, NSBH). Katalog zawiera m.in. wyjątkowo interesujące zdarzenia (opisywane wcześniej w odrębnych publikacjach) takie jak druga w historii obserwacja koalescencji dwóch gwiazd neutronowych, koalescencja dwóch czarnych dziur o największej w historii dysproporcji mas oraz obserwacja bardzo masywnego układu czarnych dziur o łącznej masie około 150 razy większej od masy Słońca. Dane udostępnione dziś wszystkim zainteresowanym badaczom umożliwią prace nad nimi szerokiemu kręgowi naukowców, a także pasjonatom.
      Katalog GWTC-2 to rezultat współpracy ponad tysiąca naukowców z całego świata zrzeszonych w konsorcjum LIGO-Virgo, w tym szesnastu z Polski. Dwóch z nich pracuje w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (prof. Andrzej Królak i dr Adam Zadrożny). Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych od 2008 roku biorą udział w pracach konsorcjum LIGO-Virgo, w tym w pracach nad sygnałami pochodzącymi z rotujących gwiazd neutronowych, astronomią wielu nośników (multi-messenger astronomy) oraz nowych metod analizy danych. Narodowe Centrum Badań Jądrowych wnosi wkład w budowę europejskiego detektora fal grawitacyjnych Virgo.
      Analiza kolejnych danych z drugiej części kampanii obserwacyjnej O3 (O3b) jest obecnie w toku. Jej wyniki jeszcze bardziej rozbudują katalog zaobserwowanych przejściowych sygnałów fal grawitacyjnych. Obecnie detektory LIGO i Virgo są poddawane dodatkowym inżynieryjnym ulepszeniom w celu poprawienia ich czułości w czasie kolejnej, czwartej już kampanii obserwacyjnej (O4).
      Wykrywanie fal grawitacyjnych stało się obecnie rutynowe, i to zaledwie pięć lat po pierwszej detekcji. Dzięki w sumie 50 zarejestrowanym sygnałom fal grawitacyjnych (11 w opublikowanym wcześniej katalogu GWTC-1 i 39 zebranych obecnie w GWTC-2) następuje znaczący postęp w badaniach: jesteśmy w stanie lepiej poznać populację czarnych dziur i gwiazd neutronowych we Wszechświecie, zwiększa się nasze zrozumienie teorii grawitacji, tj. ogólnej teorii względności, a wkrótce, mając do dyspozycji czulsze detektory, zapewne będzie możliwe wykrycie fal grawitacyjnych pochodzących ze zdarzeń obserwowanych także jako tzw. rozbłyski gamma (pierwszy taki przypadek miał już miejsce w 2017 r.). Tym zagadnieniom poświęcone są artykuły publikowane równolegle z nowym katalogiem.
      Dane z trzydziestu dziewięciu obserwacji zarejestrowanych podczas pierwszej fazy kampanii obserwacyjnej O3 są umieszczone na serwerze Centrum Otwartych Danych Fal Grawitacyjnych GWOSC (ang. Gravitational Wave Open Science Center) dostępnym poprzez portal https://www.gw-openscience.org/eventapi/html/GWTC-2.
      Strona GWOSC zawiera kompletną dokumentację i przykłady kodów do analizy danych oraz tutoriale mogące pomóc każdemu zainteresowanemu w odkrywaniu publicznie dostępnych zbiorów danych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy w historii zaobserwowano wpływ fluktuacji kwantowych na obiekt w skali człowieka. Naukowcy pracujący przy detektorze fal grawitacyjnych LIGO informują na łamach Nature o zarejestrowaniu poruszenia się pod wpływem fluktuacji kwantowych 40-kilogramowych luster wykorzystywanych w obserwatorium.
      Zespół naukowy, który pracował pod kierunkiem specjalistów z MIT, a w skład którego wchodzili też uczeni z Caltechu, przeprowadził swoje badania w LIGO Livingston Observatory w Louizjanie.
      Okazało się, że szum kwantowy wystarczy, by przemieścić lustra o 10-20 metra. Takie przesunięcie jest zgodne z teoretycznymi przewidywaniami mechaniki kwantowej. Dopiero jednak teraz udało się to zjawisko zmierzyć. Wykonanie tak dokładnych pomiarów było możliwe dzięki zastosowaniu kwantowego „ściskacza światła”. Wczoraj informowaliśmy o ważnym przełomie dokonanym na polu budowy takich urządzeń.
      Dzięki „ściskaczowi” naukowcy byli w stanie zredukować szum kwantowy, dzięki czemu określili, jak bardzo wpływał on na ruch luster.
      To naprawdę niezwykłe, że ściśnięcie światła może zmniejszyć ruch luster, które ważą tyle, co nieduży człowiek. Przy tych częstotliwościach istnieje wiele źródeł szumu, które powodują ruch luster. To naprawdę duże osiągnięcie, że mogliśmy obserwować wpływ właśnie tego źródła, cieszy się współautorka badań, Sheila Dwyer, która pracuje przy detektorze LIGO w Hanford.
      Profesor fizyki Rana Adhikari wyjaśnia, że ściśnięcie światła zmniejsza ilość szumu kwantowego w promieniu lasera poprzez przesunięcie go z fazy do amplitudy światła. To amplituda światła porusza lustra. Wykorzystaliśmy tę cechę natury, która pozwoliła nam przesunąć szum w obszar, który nas nie interesuje.
      Ściśnięcie światła i zredukowanie tym samym szumu kwantowego naukowcy mogli dokonać pomiarów poza standardowy limit kwantowy. W przyszłości technika ta pozwoli LIGO na wykrywanie słabszych, odleglejszych źródeł fal grawitacyjnych.
      W jeszcze dalszej przyszłości może to zostać wykorzystane do udoskonalenia smartfonów, autonomicznych samochodów i innych technologii, zapowiada Adhikari.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Teorie mówią, że nie istnieją gwiazdowe czarne dziury o takiej masie. Ale, jak wiemy, natura zawsze znajdzie jakiś sposób, mówi Stan Woosley, astrofizyk z University of California, Santa Cruz. Uczony skomentował w ten sposób to, co zarejestrowały wykrywacze fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. A przechwyciły one sygnał świadczący o niezwykle mało prawdopodobnej kolizji czarnych dziur o rzadko spotykanej masie.
      Eksperci,  którymi kontaktowali się dziennikarze poinformowali, że wśród 22 fal grawitacyjnych zarejestrowanych od kwietnia przez LIGO/Virgo znajduje się taki, który pochodzi od czarnej dziury o masie nawet 100 mas Słońca. Dzisiaj naukowcy potwierdzili, że zauważyli kolizję dwóch czarnych dziur o masach 65 i 85 mas Słońca, w wyniku której powstała czarna dziura o masie 150 mas Słońca.
      Krzysztof Bełczyński, astrofizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, był tak pewien, iż zderzenie takich czarnych dziur jest mało prawdopodobne, że w 2017 roku w podczas spotkania w Aspen Center For Physics wraz z Danielem Holzem z University of Chicago zawarli zakład stwierdzając, iż żadna czarna dziura o takiej masie nie zostanie wykryta w pierwszych 100 sygnałach LIGO/Virgo. Do zakładu dołączył później też Woosley. Zakład przyjęło troje innych naukowców. Myślę, że przegramy ten zakład. Ku chwale nauki, mówi Bełczyński.
      W 1967 roku fizycy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że jeśli umierająca gwiazda ma bardzo masywne jądro, to nie zapadnie się ono w czarną dziurę. Gwiazda taka zmieni się w supernową niestabilności kreacji par (pair-instability supernova).
      Do jej powstania dochodzi, gdy jądro gwiazdy staje się tak gorące, iż światło spontanicznie zamienia się w nim w pary elektron-pozyton. Dotychczas ciśnienie światła zapewniało stabilność jądra. Gdy zaczyna się ono zamieniać w materię ciśnienie to spada, jądro gwałtownie się kurczy, staje się coraz gorętsze, to z kolei przyspiesza produkcję par elektron-pozyton. Powstaje samonapędzający się mechanizm. W końcu temperatura rośnie do tego stopnia, że dochodzi do fuzji tlenu. W jego wyniku implozja zostanie zatrzymana, a rozpoczyna się proces odwrotny. Następuje eksplozja jądra. Jeśli jądro miało masę 65–130 mas Słońca, cała materia zostaje rozrzucona. Po gwieździe pozostaje mgławica. Jądro nie zapada się, nie powstaje czarna dziura.
      Jeśli natomiast jądro, w którym doszło do niestabilności kreacji par miało masę od 50 do 65 mas Słońca, dochodzi do serii eksplozji, które stopniowo wyrzucają materię dopóty, dopóki masa jądra nie spadnie poniżej limitu, w którym niestabilność kreacji par już nie zachodzi. Z tego wynika, że nie powinny istnieć gwiazdowe czarne dziury o masie pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. To bardzo proste obliczenia, mówi Woosley, którego praca z 2002 roku na ten temat jest uważana za ostateczne wyjaśnienie problemu.
      Mogą za to istnieć, i istnieją, czarne dziury o masie większej niż 130 mas Słońca, gdyż implozja tak masywnego jądra nie może zostać zatrzymana, nawet w wyniku fuzji tlenu. Jądro zapada się do czarnej dziury. Jednak, jako że gwiazdy tracą masę przez całe swoje życie, gwiazda, która utworzyłaby jądro o masie ponad 130 mas Słońca musiałaby mieć co najmniej masę 300 mas Słońca. Tak masywne gwiazdy są niezwykle rzadkie. Dlatego też większość ekspertów uznaje, że LIGo/Virgo może wykryć kolizje czarnych dziur o masach nie przekraczających 50 mas Słońca.
      Znamy też supermasywne czarne dziury o masach miliony i miliardy raza większych od masy Słońca, jednak powstają one w inny sposób, a LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć ich zderzeń.
      Dlatego tylko niewielu specjalistów uważało, że LIGO i Virgo zauważą kolizje czarnych dziur o masach ponad 50 mas Słońca. Stąd wyzwanie, jakie w formie zakładu rzucili im Bełczyński, Holz i Wooley. Zakład ten przyjęli Carl Rodriguez z MIT, Sourav Chatterjee z Tata Institute for Fundamental Research z Mombasy, do których dołączył później Fred Rasio z Northwestern University. Przegrani mają kupić każdemu z wygranych butelkę wina o wartości 100 USD.
      Rodriguez, Chatterjee i Rasio stwierdzili, że co prawda większość kolizji wykrywanych przez LIGO i Virgo prawdopodobnie ma swój początek w izolowanych układach podwójnych, ale niewielka część z nich może zachodzić w gęstych środowiskach takich jak gromady kuliste. Tam zaś, ich zdaniem, może zdarzyć się tak, że np. czarna dziura o masie 50 mas Słońca najpierw wchłonie czarną dziurę o masie 30 mas Słońca, a później znowu połączy się z jakąś czarną dziurą. LIGO/Virgo może zarejestrować to drugie zdarzenie, zatem zauważy zderzenie czarnych dziur, z których co najmniej jedna będzie miała masę pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. Istnieje też jeszcze inna możliwość. Otóż kolizja taka może rozpocząć się również w izolowanym układzie podwójnym. Jeśli jedna z gwiazd układu utworzy czarną dziurę, a układ nadal będzie istniał, to czarna dziura może wchłaniać masę z towarzyszącej jej gwiazdy, rosnąc powyżej „zakazanego” limitu. Później, gdy druga z gwiazd utworzy czarną dziurę, może dojść do kolizji obu czarnych dziur i zarejestrowania tego wydarzenia na Ziemi.
      Krzysztof Baczyński i jego koledzy przegrali więc zakład. Woosley wciąż uważa, że granica „zakazanej masy” istnieje. Jego zdaniem, wśród olbrzymiej liczby czarnych dziur musi istnieć – mimo nielicznych wyjątków – wyraźny spadek liczby czarnych dziur w zakresie masy od 50 do 130 mas Słońca. A te nieliczne istniejące wyjątki to wynik tego, że natura nie znosi próżni.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz drugi w historii LIGO zarejestrował fale grawitacyjne pochodzące ze zderzenia gwiazd neutronowych. Pierwsze tego typu wydarzenie udało się zarejestrować 2,5 roku temu.
      Najnowsze zderzenie zostało zarejestrowane 25 kwietnia ubiegłego roku. Naukowcy, którzy analizowali dane, stwierdzili, że łączna masa obu gwiazd wynosiła 3,4 masy Słońca. To interesujące odkrycie, gdyż dotychczas nigdy nie zaobserwowano pary gwiazd neutronowych, która miałaby masę większą niż 2,9 masy Słońca. Ta para była wyraźnie cięższa niż jakakolwiek inna zaobserwowana dotychczas para gwiazd neutronowych, mówi Katerina Chatziioannou z nowojorskiego Flatiron Institute.
      Uczona dodała, że nie można wykluczyć, iż doszło do zderzenia czarnych dziur lub czarnej dziury z gwiazdą neutronową, ale jest to mało prawdopodobne, gdyż nigdy wcześniej nie zaobserwowano tak małych czarnych dziur.
      Nie wiadomo, dlaczego dotychczas teleskopy nie zaobserwowały pary gwiazd neutronowych o tak dużej masie. Teraz, gdy wiadomo, że pary takie istnieją, teoretycy będą musieli wyjaśnić, dlaczego widać je w wykrywaczach fal grawitacyjnych, a nie w teleskopach.
      Gdy tylko LIGO wykrywa fale grawitacyjne, zostaje wysłany alert wraz z informacją o pozycji źródła tych fal. Dzięki temu astronomowie z całego świata mogą rozpocząć obserwacje wskazanego miejsca. Kiedy detektor odkrył pierwsze zderzenie gwiazd neutronowych, wysłany alert pozwolił zaobserwować rozbłysk gamma pochodzący ze starej galaktyki położonej w odległości około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi.
      Jednak tym razem niczego nie wykryto. Żadna grupa naukowa nie poinformowała dotychczas o zauważeniu rozbłysku w miejscu i czasie, które zgadzałyby się z zarejestrowanymi falami. Mogło się tak stać dlatego, że fale wykrył tylko jeden z detektorów LIGO, ten znajdujący się w Livingston w stanie Louisiana. Drugi z nich, z Hanford w stanie Waszyngton, był czasowo wyłączony, a europejski Virgo w pobliżu Pizy jest zbyt mało czuły, by zauważyć te fale.
      Zwykle mamy więc do dyspozycji trzy wykrywacze systemu LIGO-Virgo. Mogą one nawzajem potwierdzać swoje obserwacje, a dzięki triangulacji możliwe jest dokładne określenie źródła fal. Fakt, że tym razem mamy dane tylko z jednego z nich pozwala na stwierdzenie, że do zderzenia gwiazd doszło w odległości większej niż 500 milionów lat świetlnych od Ziemi gdzieś w obszarze obejmujący niemal 20% nieboskłonu.
      Danym zarejestrowanym przez LIGO możemy jednak zaufać. Urządzenia działają już na tyle długo, że naukowcy potrafią odróżnić prawdziwy sygnał od zakłócenia, nawet jeśli mają do dyspozycji tylko jeden wykrywacz.
      Chatziioanou przypomina, że gdy dochodzi do zderzenia gwiazd neutronowych, powstaje czarna dziura. W tym wypadku mogła ona powstać tak szybko, że natychmiast wchłonęła wszelkie światło, co wyjaśniałoby brak obserwacji. Ponadto strumień energii, który pochodził z takiego wydarzenia, mógł zostać skierowany w inną stronę niż Ziemia.
      Naukowcy nadal jednak badają to wydarzenie, więc nie można wykluczyć, że dowiemy się o nim więcej.
      W ciągu najbliższych kilku tygodni uruchomiony zostanie japoński wykrywacz fal grawitacyjnych KAGRA. Czwarte takie urządzenie pozwoli na jeszcze bardziej precyzyjne wykrywanie jeszcze większej liczby fal grawitacyjnych.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...