Listening to the Heavens: Upptäckten av gravitationsvågor visade att Einstein hade rätt

i samarbete med NAMN

Händelsen var betydelsefull - och uttalandet som tillkännagav det för världen kom i en vederbörligen upphetsad ton, samtidigt som det var sparsamt och rakt på sak: Mina damer och herrar, vi ... har upptäckt ... gravitationsvågor! Vi gjorde det!

Med dessa ord avslöjade David Reitze, verkställande direktör för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), upptäckten för ett rum fyllt med journalister på National Press Club i Washington, DC, den 11 februari 2016. (Själva upptäckten inträffade den 14 september 2015.)

Upptäckten gav det första beviset för att stödja Albert Einsteins tro på existensen av gravitationsvågor som var en del av hans allmänna relativitetsteori. Ett nytt vetenskapligt forskningsfält, kallat gravitationsvågastronomi, drev denna anmärkningsvärda prestation vid LIGO – genom användningen av en laserenhet, kallad interferometer, som inkluderar högprecisionssensorer, operationsförstärkare och andra produkter från Analog Devices, Inc. (ADI).

Källan till gravitationsvågen var kollisionen av två svarta hål, 1,3 miljarder ljusår från jorden, som skapade en gravitationsvågskraft 10 gånger större än den kombinerade utstrålade energin från alla stjärnor i universum.

De hittade Einsteins [gravitations]vågor 100 år senare, och det hände just här, och här är maskinen som gjorde det, förundras David Kress, chef för teknisk marknadsföring på ADI och en alumn från MIT. Det finns inget bättre – och jag vet att våra delar finns i det.

Lyssnar på universum

LIGO består av två observatorier och anläggningar – en i Hanford, Washington och den andra i Livingston, Louisiana – som båda började fungera 2002. National Science Foundation (NSF) finansierade det storskaliga fysikprojektet, och dessa anläggningar var då skapad, byggd och drivs av Caltech och MIT. De dubbla observatorierna, som är bland de största och mest ambitiösa NSF-finansierade projekten hittills, designades för att observera astrofysiska gravitationsvågor - som faktiskt inte kan ses. Det enda sättet att upptäcka förekomsten av gravitationsvågor är att lyssna på himlen.

Varje LIGO-anläggning placerar en laser i ett ultrahögt vakuum, delar lasern i två delar och skickar varje stråle ner en av två 2,5 mil långa armar som är vinkelräta mot varandra. Laserstrålarna reflekteras sedan tillbaka från speglar placerade i ändarna av armarna.

Interferometrar är undersökningsverktyg som rutinmässigt används inom vetenskap och teknik. De fungerar genom att slå samman två eller flera ljuskällor för att skapa ett interferensmönster, som kan mätas och analyseras. LIGOs interferometrar är designade för att upptäcka mätningar som är för små för att kunna erhållas med andra metoder.

När en gravitationsvåg passerar ändrar den tiden i det omgivande området, vilket orsakar en minuts rörelse av armarna i förhållande till varandra, i storleksordningen 1/1000 av en protons bredd. Det ändrar de relativa faserna av det returnerade ljuset när enheterna tar emot data, släpper ljus till en optisk sensor, vilket resulterar i en mätbar signal eller pip.

När du tänker på ett traditionellt observatorium får du en mental bild av någon som kikar genom en sökare och tittar ut i rymden genom ett teleskop som är designat för att ta emot ljus, säger Rich Abbott, ledande analog kretsdesigner på LIGO. Vad LIGO gör – och det som gör det unikt – är att det mäter gravitationsvågor, som inte dyker upp som ljus. För att beskriva den exceptionella känsligheten hos LIGO:s interferometer, jämför han den med en våg: Om du kunde ta bort all sand från alla våra stränder på jorden och stapla den på vågen, är LIGO-detektorn tillräckligt känslig för att du skulle kunna upptäcka borttagandet. mindre än ett sandkorn.

Hög prestanda: LIGO och ADI-teknik

LIGO använder en mängd integrerade kretsteknologier från ADI. LIGO-interferometrarna fungerar genom att förutsäga och kompensera för alla möjliga omgivande buller- och vibrationskällor. Det betyder att laserutgången som används av interferometern måste förbli ultrastabil, med extremt små variationer i frekvens och amplitud.

Av den anledningen behövde LIGO-teamet ett återkopplingssystem för att adekvat mäta ljuseffekten samtidigt som amplituden kontrollerades. Det krävde en ultralågbrusförstärkare med hög prestanda. LIGO-teamet valde ADI:s AD797 operationsförstärkare (eller op amp) för dess mycket låga brus och låga distorsionsegenskaper. AD797 op amp används också i bland annat infraröd och ekolodsavbildningstillämpningar. Andra ADI-produkter används också i LIGO-tekniken:

• ADI:s AD590 högprecisionstemperatursensor stabiliserar laserfrekvensen och mäter medeltemperaturen i glasvakuumkammaren som inrymmer lasern.
• Utdata i lasern kan snabbt byggas upp till kilowatt i armarnas resonanshålrum, vilket förvränger mätningarna. LIGO använder en ADA4700 högspänningsförstärkare för att driva elektrostatiska ställdon för att hålla speglarna i linje.
• Solenoider driver LIGO:s spegelupphängningssystem. I det systemet mäter AD736 RMS-chippet strömtillförseln till solenoiderna, vilket möjliggör alla nödvändiga och exakta lutning, stigning och girning.

Att stabilisera laserns amplitud är en av nycklarna till dess framgångsrika igenkänning av gravitationsvågorna eftersom fluktuationer kan se ut som signaler, noterar Abbott. Det är därför vi behövde en så fokuserad, icke-trädgårdsvariation, lösning.

Att bevisa Einstein genom prestanda

Den första bilden någonsin av en riktig gravitationsvågssignal upptäcktes från början vid LIGO Livingston; sedan bara 7 millisekunder senare anlände den till Hanford-platsen. Upptäckten skedde under den första veckan av användning av nya avancerade LIGO-laserdetektorer, som inkluderade ADI-tekniken för integrerade kretsar. LIGO-teamet var stolta över att upptäcka gravitationsvågorna så snart efter installationen av den nya enheten – och att signalen var så hög att den inte kan ta miste på saken.

Fördröjningen mellan gravitationsvågsignalens upptäckt och dess offentliga avslöjande återspeglade lagets behov av att undersöka och bekräfta att det verkligen var verkligt. I flera veckor genomförde LIGO-forskare experiment vid båda observatorierna för att utesluta möjligheten att en instrumentell anomali eller mjukvarufel orsakade signalerna. Så småningom slutförde forskare vad som är känt som en korrelations- och kopplingsanalys, som drog slutsatsen att signalen bara kunde ha sitt ursprung i rymden. All LIGO-personal svurit till sekretess från dess till det offentliga tillkännagivandet.

Senare upptäcktes en andra gravitationsvåg på juldagen 2015. Återigen undersökte forskare grundligt och, efter att ha bekräftat signalens kosmiska ursprung, tillkännagav de upptäckten den 15 juni 2016.

När Einstein föreslog existensen av gravitationsvågor och svarta hål, trodde han att det skulle vara i princip omöjligt att faktiskt fastställa dem. Det faktum att ADI-sensorer och andra enheter bidrog till precisionen hos de interferometrar som så småningom åstadkom denna bedrift är fortfarande en källa till stor stolthet för dem som är involverade i att utveckla tekniken.

Analog Devices har stött precisionstillämpningar för jordobservation, rymdkommunikationspositionering, bärraketer och rymdutforskning i över 40 år nu, säger Bob Barfield, chef för rymd- och försvar på ADI. När du tänker på vad som finns i rymden och vad som är bortom vad vi vet just nu, är det häpnadsväckande. Några av de saker som upptäcks – det är bara spännande att tänka att vi är på gränsen till det.

För att lära dig mer och se en video om LIGO-projektet, besök www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

Dölj