LIVINGSTON, La. - ประมาณหนึ่งไมล์ครึ่งจากอาคารขนาดใหญ่ที่คุณสามารถมองเห็นได้จากอวกาศรถทุกคันบนถนนจะชะลอตัวจนคลาน ผู้ขับขี่รู้ว่าจะ จำกัด ความเร็ว 10 ไมล์ต่อชั่วโมง (16 กม. / ชม.) อย่างจริงจัง: นั่นเป็นเพราะอาคารมีเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ที่กำลังตามล่าการสั่นสะเทือนของท้องฟ้าในระดับที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยพยายาม ไม่น่าแปลกใจที่มันไวต่อการสั่นสะเทือนของโลกรอบตัวนับตั้งแต่เสียงคำรามของรถยนต์ที่ผ่านไปจนถึงภัยธรรมชาติในอีกด้านหนึ่งของโลก
เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในหนึ่งในเครื่องตรวจจับ LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Observatory Observatory) จะต้องมีความยาวเป็นพิเศษเพื่อตามล่าและกำจัดแหล่งที่มาของเสียงรบกวน - ชะลอการจราจรรอบเครื่องตรวจจับ กราวด์แม้กระทั่งหยุดอุปกรณ์จากระบบลูกตุ้มสี่เท่าที่ลดการสั่นสะเทือนให้น้อยที่สุด - ทั้งหมดนี้อยู่ในความพยายามที่จะสร้างจุดสั่นสะเทือนที่ "เงียบ" มากที่สุดในโลก
“ ทุกอย่างเกี่ยวกับการล่าสัตว์ทางเสียง” Janeen Romie หัวหน้ากลุ่มวิศวกรรมตรวจจับที่ LIGO detector ใน Louisiana กล่าว
ทำไมนักฟิสิกส์ของ LIGO ถึงหลงใหลในการขจัดเสียงรบกวนและสร้างสถานที่ที่ปราศจากการสั่นสะเทือนมากที่สุดในโลก เพื่อให้เข้าใจว่าคุณต้องรู้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงคืออะไรและ LIGO ตรวจจับพวกมันอย่างไรตั้งแต่แรก ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปอวกาศและเวลาเป็นส่วนหนึ่งของความต่อเนื่องเดียวกันซึ่ง Einstein เรียกว่า space-time และในอวกาศ - เวลาวัตถุขนาดใหญ่ที่เร่งความเร็วอย่างรวดเร็วสามารถสร้างคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งดูเหมือนคลื่นที่แผ่ออกไปด้านนอกเมื่อก้อนกรวดถูกทิ้งลงบนพื้นผิวของบ่อคลื่นเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการยืดและหดตัวของเนื้อผ้าของเอกภพ
คุณวัดการเปลี่ยนแปลงในเวลาว่างได้อย่างไรเมื่ออุปกรณ์การวัดใดจะประสบกับการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกันเหล่านั้น ทางออกอันชาญฉลาดคือสิ่งที่รู้จักกันในชื่อ interferometer มันขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงยืดเวลาว่างไปในทิศทางเดียวในขณะที่หดตัวตามแนวตั้งฉาก ลองนึกถึงทุ่นลอยน้ำ: เมื่อคลื่นเคลื่อนผ่านมันจะลอยขึ้นและลง ในกรณีของคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่กระจายไปทั่วโลกทุกสิ่งจะแกว่งไปมาเล็กน้อยไปมาแทนที่จะขึ้นและลง
เครื่องตรวจจับของ LIGO ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ตัวแยกลำแสงกระจกหลายตัวและตัวตรวจจับแสง แสงจากเลเซอร์ถูกแบ่งออกเป็นสองแนวตั้งฉากโดยลำแสงแบบแยกส่วนจากนั้นเดินทางในระยะทางที่เท่ากันลงไปที่แขนของเครื่องวัดความผิดปกติถึงสองกระจกซึ่งแสงจะสะท้อนกลับลงมาที่แขน จากนั้นคานทั้งสองจะชนกับตัวตรวจจับซึ่งวางอยู่ตรงข้ามกระจกสะท้อนแสง เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนผ่าน interferometer มันทำให้แขนข้างหนึ่งยาวขึ้นอีกเล็กน้อยและอีกอันหนึ่งสั้นลงเล็กน้อยเพราะมันจะยืดพื้นที่ไปตามทิศทางเดียวในขณะที่บีบอัดไปตามทิศทางอื่นในขณะที่บีบอัดไปอีกทิศทางหนึ่ง เครื่องตรวจจับ ระดับความไวของ LIGO เทียบเท่ากับ "การวัดระยะทางจากดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุด (ประมาณ 4.2 ปีแสง) ถึงความแม่นยำที่เล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์" ตามเว็บไซต์ความร่วมมือ LIGO
เพื่อให้สามารถตรวจจับคลื่นความกว้างของเส้นผมได้นักวิทยาศาสตร์พยายามอย่างสุดขีดในการกำจัดสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นกับการตั้งค่าที่ปรับแต่งอย่างประณีตนี้ Carl Blair นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ LIGO ที่ศึกษากลศาสตร์ออปโต
ในการเริ่มต้นแขนยาว 2.5 ไมล์ (4 กิโลเมตร) อยู่ในหนึ่งในเครื่องดูดฝุ่นที่สมบูรณ์แบบที่สุดในโลกซึ่งหมายความว่ามันแทบจะปราศจากโมเลกุลจึงไม่มีสิ่งใดสามารถรบกวนเส้นทางของลำแสง เครื่องตรวจจับนั้นยังถูกล้อมรอบด้วยอุปกรณ์ทุกประเภท (เครื่องวัดแผ่นดินไหว, เครื่องวัดแม่เหล็ก, ไมโครโฟนและเครื่องตรวจจับรังสีแกมม่าเพื่อตั้งชื่อไม่กี่) ที่วัดการรบกวนในข้อมูลและลบออก
สิ่งใดก็ตามที่อาจรบกวนหรือตีความอย่างผิด ๆ ว่าเป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงต้องถูกไล่ล่าและกำจัดออกไป ซึ่งรวมถึงความไม่สมบูรณ์ภายในเครื่องตรวจจับตัวเอง - สิ่งที่เรียกว่าเสียง - หรือการรบกวนทางดาราศาสตร์ที่ไม่ได้เกิดขึ้นในตัวเครื่อง - สิ่งที่เรียกว่าบกพร่อง นักฟิสิกส์ต้องคำนึงถึงการสั่นสะเทือนของอะตอมที่ประกอบเป็นกระจกของเครื่องตรวจจับและความผันผวนแบบสุ่มของกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในระดับที่มากขึ้นความผิดพลาดสามารถเป็นอะไรก็ได้ตั้งแต่รถไฟบรรทุกสินค้าผ่านไปจนถึงนกกากระหายน้ำ
และความผิดพลาดอาจเป็นเรื่องยากที่จะตอกตะปู เมื่อ Arnaud Pele เข้าร่วมทีมตรวจจับ - วิศวกรรมที่ LIGO เขาได้รับมอบหมายให้หาจุดที่มีการรบกวนที่น่ารำคาญโดยเฉพาะอย่างยิ่งมาจาก: เครื่องมือที่วัดการเคลื่อนที่ของพื้นรอบเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ลงทะเบียนเข็มคงที่และไม่มีใคร รู้ว่าทำไม หลังจากผ่านไปหลายเดือนในการเป็นนักสืบเขาพบผู้กระทำผิด: หินที่ถ่อมตัวอยู่ระหว่างพื้นดินและน้ำพุเชิงกลบางส่วนภายใต้ระบบระบายอากาศ เนื่องจากหินน้ำพุไม่สามารถป้องกันการสั่นสะเทือนของเครื่องช่วยหายใจไม่ให้ปรากฏในเครื่องตรวจจับทำให้เกิดสัญญาณลึกลับ “ มันเป็นส่วนที่สนุกมากในงานของฉันทำสิ่งนักสืบนี้” เปเล่กล่าว "ส่วนใหญ่แล้วมันเป็นคำตอบง่ายๆ" ในการค้นหาการสั่นสะเทือนเล็ก ๆ น้อย ๆ จากระยะไกลสุดของเอกภพงานจริงสามารถลงมายังพื้นโลกได้
บางทีสิ่งสำคัญที่สุดอาจมีเครื่องตรวจจับสามตัว: นอกจากเครื่องตรวจจับที่หลุยเซียน่าแล้วเครื่องตรวจจับหนึ่งใน Hanford, Washington และเครื่องที่สามในอิตาลี:“ หากสิ่งที่เป็นจริงมันต้องมีลักษณะเหมือนกันในเครื่องตรวจจับทั้งหมด” Salvatore Vitale ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ MIT หากเป็นรถไฟบรรทุกสินค้าหรือหินที่ติดอยู่ใต้ฤดูใบไม้ผลิก็จะปรากฏขึ้นในหนึ่งในสามของเครื่องตรวจจับ
ด้วยเครื่องมือเหล่านี้และอัลกอริธึมที่ซับซ้อนบางอย่างนักวิทยาศาสตร์สามารถหาจำนวนโอกาสที่สัญญาณนั้นเป็นคลื่นความโน้มถ่วง พวกเขายังสามารถคำนวณอัตราการเตือนที่ผิดพลาดสำหรับการตรวจจับที่กำหนดหรือความเป็นไปได้ที่สัญญาณที่แน่นอนจะปรากฏขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ยกตัวอย่างเช่นหนึ่งในเหตุการณ์ช่วงต้นฤดูร้อนนี้มีอัตราการเตือนภัยผิดพลาดน้อยกว่าหนึ่งครั้งใน 200,000 ปีทำให้เป็นผู้สมัครที่น่าสนใจอย่างมาก แต่เราจะต้องรอจนกว่าคำตัดสินขั้นสุดท้ายจะออก
การรายงานสำหรับบทความนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
