پرتوی لیزر در پروژه LIGO قلب اصلی سامانه آشکارسازی امواج گرانشی به شمار میرود. برخلاف تصور رایج، این لیزر برای برش، اندازهگیری معمولی یا انتقال داده استفاده نمیشود، بلکه وظیفه آن اندازهگیری تغییراتی است که حتی از قطر یک پروتون نیز بسیار کوچکتر هستند. زمانی که یک موج گرانشی از زمین عبور میکند، فاصله میان آینههای عظیم تداخلسنج تنها به اندازهای ناچیز تغییر میکند که هیچ ابزار مکانیکی توان اندازهگیری آن را ندارد. لیزر با ایجاد پرتویی کاملاً پایدار و همدوس، امکان تشخیص همین تغییرات فوقالعاده کوچک را فراهم میکند.
در LIGO یک پرتو لیزر پس از عبور از تجهیزات پایدارکننده به دو مسیر عمود بر هم تقسیم میشود. هر پرتو چندین بار بین آینههای انتهایی بازتاب میکند و سپس دوباره با پرتو دیگر ترکیب میشود. اگر طول دو مسیر دقیقاً برابر باشد، الگوی تداخل مشخصی ایجاد میشود، اما عبور موج گرانشی باعث میشود یکی از بازوها اندکی کشیده و دیگری اندکی کوتاه شود. همین اختلاف بسیار کوچک در طول مسیر، الگوی تداخل نور را تغییر میدهد و آشکارسازهای حساس آن را ثبت میکنند.
دقت اندازهگیری این سامانه در حدی است که تغییراتی حدود ۱۰ به توان منفی ۱۹ متر را نیز میتواند تشخیص دهد. برای رسیدن به چنین حساسیتی، نهتنها کیفیت لیزر بلکه پایداری فرکانس، توان خروجی، لرزش زمین، نویز حرارتی، فشار هوا و حتی ارتعاشات ناشی از فعالیتهای انسانی نیز کنترل میشوند. به همین دلیل پرتوی لیزر LIGO را میتوان دقیقترین ابزار اندازهگیری فاصله ساختهشده توسط بشر دانست.
دلیل ساخت و کاربرد پرتوی لیزر LIGO
هدف اصلی از ساخت LIGO اثبات تجربی وجود امواج گرانشی بود؛ پدیدهای که بیش از یک قرن پیش توسط نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین پیشبینی شده بود. بر اساس این نظریه، رویدادهای بسیار پرانرژی مانند برخورد دو سیاهچاله یا دو ستاره نوترونی باعث ایجاد موجهایی در بافت فضا و زمان میشوند. این امواج هنگام رسیدن به زمین بسیار ضعیف هستند و تنها ابزارهایی با حساسیت فوقالعاده میتوانند آنها را ثبت کنند.
کاربرد پرتوی لیزر LIGO پس از نخستین آشکارسازی موفق در سال ۲۰۱۵ بسیار گستردهتر شد. رصدخانه همچون فرد لارنس اکنون یکی از مهمترین ابزارهای اخترشناسی نوین محسوب میشود و اطلاعاتی را در اختیار پژوهشگران قرار میدهد که با هیچ تلسکوپ نوری یا رادیویی قابل دستیابی نیست. بسیاری از اجرام مانند سیاهچالهها تقریباً هیچ نوری منتشر نمیکنند، اما هنگام برخورد یا ادغام، امواج گرانشی قدرتمندی تولید میکنند که توسط LIGO قابل آشکارسازی است.
امروزه دادههای این سامانه برای مطالعه جرم سیاهچالهها، بررسی ستارههای نوترونی، آزمایش دقیق نظریه نسبیت، بررسی ساختار فضا و زمان، اندازهگیری نرخ انبساط جهان و حتی جستجوی پدیدههای فیزیکی ناشناخته استفاده میشود. به همین دلیل LIGO تنها یک آشکارساز نیست، بلکه دریچهای تازه برای مطالعه جهان محسوب میشود.
پروژه LIGO چگونه شکل گرفت؟
ایده ساخت آشکارساز لیزری امواج گرانشی از دهه ۱۹۷۰ مطرح شد؛ زمانی که پژوهشگران دریافتند روشهای قدیمی مبتنی بر میلههای فلزی حساسیت کافی برای آشکارسازی این امواج را ندارند. در همین دوران، گروهی از فیزیکدانان پیشنهاد کردند از تداخلسنجهای لیزری برای اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک فاصله استفاده شود.
پیشگامان اصلی این پروژه، راینر وایس، کیپ تورن و بری بریش بودند. راینر وایس طرح اولیه آشکارساز را توسعه داد، کیپ تورن مدلهای نظری مربوط به منابع امواج گرانشی را تکمیل کرد و بری بریش مدیریت اجرایی ساخت این پروژه عظیم را بر عهده گرفت. تلاش مشترک این سه دانشمند باعث شد پروژه از مرحله نظری به یک رصدخانه عملیاتی تبدیل شود.
ساخت دو رصدخانه بزرگ در ایالتهای واشینگتن و لوئیزیانا آمریکا آغاز شد تا هر رویداد همزمان در هر دو محل ثبت شود و احتمال خطا به حداقل برسد. هر دو مرکز دارای بازوهایی به طول چهار کیلومتر هستند و تجهیزات آنها تقریباً یکسان طراحی شده است.
پس از سالها توسعه، نسخه اولیه پرتوی لیزر LIGO در اوایل دهه ۲۰۰۰ آغاز به کار کرد، اما حساسیت کافی برای کشف امواج گرانشی نداشت. سپس پروژه Advanced LIGO طراحی شد که با استفاده از لیزرهای قویتر، آینههای دقیقتر و سامانههای کاهش نویز، حساسیت آشکارساز را چند برابر افزایش داد. تنها چند روز پس از آغاز فعالیت نسخه ارتقایافته، نخستین موج گرانشی تاریخ ثبت شد؛ کشفی که جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۷ را برای سه دانشمند اصلی پروژه به همراه داشت.
چرا در LIGO از لیزر استفاده میشود؟
لیزر تنها منبع نوری است که میتواند ویژگیهای مورد نیاز برای اندازهگیریهای فوقدقیق را فراهم کند. نور لیزر تکفام، همدوس و دارای واگرایی بسیار کم است؛ ویژگیهایی که باعث میشوند تغییرات بسیار کوچک در مسیر نور قابل تشخیص باشند. اگر از نور معمولی استفاده میشد، اختلاف فاز بین پرتوها دائماً تغییر میکرد و الگوی تداخل پایدار باقی نمیماند. در نتیجه اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک فاصله تقریباً غیرممکن میشد.
مزیت دیگر لیزر، امکان پایدارسازی دقیق فرکانس و توان خروجی آن است. در LIGO سامانههای کنترلی دائماً وضعیت لیزر را بررسی میکنند تا کوچکترین نوسانات نیز حذف شوند. این پایداری باعث میشود هر تغییری که در خروجی آشکارساز دیده میشود، ناشی از عبور موج گرانشی باشد و نه تغییرات خود منبع نور.
همچنین شدت زیاد پرتو لیزر باعث کاهش نویز کوانتومی و افزایش دقت اندازهگیری میشود. هرچه تعداد فوتونهای موجود در پرتو بیشتر باشد، خطای آماری اندازهگیری کاهش مییابد و آشکارسازی رویدادهای ضعیف آسانتر میشود.
مشخصات منبع لیزر LIGO
منبع لیزر مورد استفاده در LIGO از نوع Nd:YAG است که به دلیل پایداری بسیار زیاد، کیفیت پرتو مناسب و نویز پایین انتخاب شده است. این لیزر پیش از ورود به تداخلسنج از چندین مرحله تقویت، فیلتر و پایدارسازی عبور میکند تا ویژگیهای آن به بالاترین سطح ممکن برسد.
- نوع لیزر: Nd:YAG حالت پیوسته
- طول موج: ۱۰۶۴ نانومتر
- توان نهایی ورودی به تداخلسنج: حدود ۱۲۵ وات
- کیفیت بسیار بالای پرتو و همدوسی طولانی
- سامانههای پایدارسازی فرکانس، توان و موقعیت پرتو
- نویز شدت و نویز فرکانسی بسیار پایین
- قابلیت عملکرد مداوم برای مدت طولانی بدون افت کیفیت
تمام این ویژگیها باعث میشوند پرتوی خروجی بتواند کوچکترین تغییرات مسیر را بدون ایجاد خطای قابل توجه اندازهگیری کند.
ساختار تداخلسنج مایکلسون در LIGO
اساس عملکرد پرتوی لیزر LIGO بر تداخلسنج مایکلسون استوار است، اما نسخه مورد استفاده در این پروژه نسبت به نمونه کلاسیک تغییرات فراوانی دارد. پرتو لیزر پس از رسیدن به تقسیمکننده پرتو، به دو بازوی عمود بر هم فرستاده میشود. هر بازو چهار کیلومتر طول دارد و در انتهای آن آینهای بسیار دقیق نصب شده است.
نور پس از بازتاب از آینهها دوباره به محل تقسیمکننده بازمیگردد و دو پرتو با یکدیگر ترکیب میشوند. اگر طول مسیرها کاملاً برابر باشد، شدت نور خروجی تقریباً صفر خواهد بود، اما کوچکترین تغییر در طول یکی از بازوها الگوی تداخل را تغییر میدهد.
برای افزایش حساسیت، پرتو در هر بازو صدها بار بین آینهها رفتوبرگشت میکند. در نتیجه مسیر مؤثر نور به صدها کیلومتر میرسد و حتی تغییرات بسیار کوچک نیز قابل اندازهگیری میشوند. تمام آینهها در محفظههای خلأ بسیار بزرگ قرار گرفتهاند تا اثر هوا حذف شود. علاوه بر این، سامانههای پیچیده تعلیق چندمرحلهای، لرزشهای زمین را تا حد زیادی جذب میکنند و اجازه نمیدهند نویز محیطی بر اندازهگیریها اثر بگذارد.
نحوه آشکارسازی امواج گرانشی با لیزر
زمانی که موج گرانشی از میان آشکارساز عبور میکند، فضای اطراف آن به طور موقت دچار کشیدگی و فشردگی میشود. این تغییر بسیار کوچک باعث میشود طول یکی از بازوهای LIGO اندکی افزایش و طول بازوی دیگر اندکی کاهش پیدا کند.
از آنجا که نور با سرعت ثابت حرکت میکند، تغییر طول مسیر باعث اختلاف بسیار کوچکی در زمان رسیدن دو پرتو به آشکارساز میشود. اختلاف زمان، اختلاف فاز ایجاد میکند و الگوی تداخل نور را تغییر میدهد. آشکارساز نوری این تغییر را ثبت کرده و رایانهها پس از حذف نویزهای محیطی، وجود موج گرانشی را تأیید میکنند.
برای اطمینان از واقعی بودن سیگنال، دادههای هر دو رصدخانه با یکدیگر مقایسه میشوند. اگر هر دو مرکز تقریباً همزمان یک الگوی مشابه را ثبت کرده باشند، احتمال اینکه رویداد ناشی از موج گرانشی باشد بسیار زیاد است. سپس اطلاعات با آشکارسازهای دیگر جهان مانند Virgo و KAGRA نیز مقایسه میشود تا محل وقوع رویداد در آسمان مشخص شود.
مهمترین کشفیات علمی با استفاده از پرتوی لیزر LIGO
از زمان آغاز فعالیت نسخه پیشرفته LIGO، دهها رویداد مهم ثبت شده که بسیاری از آنها شناخت دانشمندان از جهان را تغییر دادهاند. مهمترین دستاوردهای این پروژه عبارتاند از:
- نخستین آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵
- ثبت نخستین برخورد دو سیاهچاله و تأیید پیشبینی نظریه نسبیت عام
- آشکارسازی ادغام دو ستاره نوترونی در سال ۲۰۱۷ و مشاهده همزمان نور و امواج گرانشی
- اندازهگیری دقیق جرم و چرخش سیاهچالههای دوردست
- کشف سیاهچالههایی با جرمهایی که پیشتر مشاهده نشده بودند
- بررسی نحوه تشکیل سامانههای دوتایی سیاهچاله
- آزمایش دقیقتر نظریه نسبیت اینشتین در میدانهای گرانشی بسیار قوی
- ایجاد شاخه جدیدی از اخترشناسی با عنوان اخترشناسی امواج گرانشی که امروزه در کنار رصدهای نوری، رادیویی و پرتو ایکس برای مطالعه جهان به کار گرفته میشود.
