การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นความโน้มถ่วงถูกตรวจจับโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยที่คลื่นเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในความยาวสัมพัทธ์ของแขนตั้งฉากของเครื่องตรวจจับการรบกวนด้วยเลเซอร์ขนาดยักษ์ ซึ่งเป็นความสำเร็จครั้งแรกโดย LIGO ในปี 2015

Definition

การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงคือการวัดความเครียด (strain) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนของระยะทางที่เกิดจากคลื่นที่เคลื่อนผ่าน โดยทำได้โดยใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมตรีบนฐานขนาดกิโลเมตรบนพื้นดิน โดยเครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อวกาศที่วางแผนไว้ และโดยอาร์เรย์จับเวลาของพัลซาร์มิลลิวินาทีที่ความถี่ต่ำมาก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการของการตรวจจับด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตริก การตอบสนองของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์รูปตัว L ต่อความเครียดของคลื่น แหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลัก (แผ่นดินไหว ความร้อน และเสียงรบกวนจากควอนตัมช็อต) และเทคนิคที่ใช้ในการลดทอนเสียงรบกวนเหล่านั้น เครือข่ายเครื่องตรวจจับทั่วโลก (LIGO, Virgo, KAGRA) และหอดูดาวอวกาศและหอดูดาวจับเวลาพัลซาร์ที่วางแผนไว้ รวมถึงการวิเคราะห์ข้อมูลแบบ matched-filtering ที่ใช้ในการแยกสัญญาณออกจากเสียงรบกวน

Core questions

• เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์แปลงความเครียดของกาลอวกาศให้เป็นสัญญาณที่วัดได้อย่างไร?
• แหล่งกำเนิดเสียงรบกวนใดบ้างที่จำกัดความไว และจะเอาชนะได้อย่างไร?
• จะระบุสัญญาณที่อ่อนแอภายในเสียงรบกวนของเครื่องตรวจจับได้อย่างไร?

Key concepts

• เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์
• ความไวต่อความเครียด
• เสียงรบกวนจากแผ่นดินไหวและความร้อน
• เสียงรบกวนจากควอนตัมช็อต
• เครือข่ายเครื่องตรวจจับและการหาตำแหน่งด้วยสามเหลี่ยม
• การกรองแบบจับคู่

Key theories

การวัดความเครียดด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตริก

คลื่นที่เคลื่อนผ่านจะเปลี่ยนความยาวของแขนอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สองข้างที่ตั้งฉากกันในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้เกิดการเลื่อนของการรบกวนของแสงเลเซอร์ที่รวมกันใหม่ ดังนั้นการเปลี่ยนเฟสที่วัดได้จึงเป็นการอ่านค่าความเครียดของคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง

การตรวจจับด้วยตัวกรองแบบจับคู่

เนื่องจากสามารถคำนวณรูปคลื่นที่คาดการณ์ไว้ล่วงหน้าได้ สัญญาณที่อยู่ต่ำกว่าระดับเสียงรบกวนมากจึงถูกสกัดออกมาโดยการหาความสัมพันธ์ของข้อมูลกับชุดแม่แบบทางทฤษฎี ซึ่งเป็นเทคนิคที่ยืนยันการรวมตัวของหลุมดำครั้งแรก

Clinical relevance

เทคโนโลยีการตรวจจับเป็นตัวกำหนดว่าดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงสามารถสังเกตอะไรได้บ้าง: เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ภาคพื้นดินครอบคลุมย่านความถี่เสียงของการรวมตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก ภารกิจอวกาศที่วางแผนไว้จะเข้าถึงความถี่ที่ต่ำกว่าสำหรับระบบดาวคู่หลุมดำมวลมหาศาล และอาร์เรย์จับเวลาพัลซาร์จะสำรวจคลื่นนาโนเฮิรตซ์จากคู่หลุมดำมวลมหาศาล ซึ่งทั้งหมดนี้ครอบคลุมสเปกตรัมของคลื่นความโน้มถ่วง

History

ความพยายามของ Joseph Weber ในการใช้แท่งเรโซแนนซ์ในช่วงทศวรรษ 1960 ได้กระตุ้นให้เกิดสาขาวิชานี้; Weiss ได้คิดค้นวิธีการอินเตอร์เฟอโรเมตริกในช่วงต้นทศวรรษ 1970 และหลังจากหลายทศวรรษของการพัฒนา LIGO ก็ประสบความสำเร็จในการตรวจจับโดยตรงครั้งแรกในเดือนกันยายน 2015 ซึ่งเป็นความสำเร็จที่ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบลในปี 2017 ให้แก่ Weiss, Thorne และ Barish

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

เครื่องตรวจจับสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความยาวที่เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมได้อย่างไร?

ด้วยการใช้แขนยาวหลายกิโลเมตร เลเซอร์กำลังสูงที่มีความเสถียรซึ่งสะท้อนหลายพันครั้ง และการแยกตัวอย่างมากจากการรบกวนจากแผ่นดินไหวและความร้อน เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงความยาวแขนที่แตกต่างกันในระดับ 10^-18 เมตร ที่คลื่นความโน้มถ่วงสร้างขึ้น

ทำไมจึงต้องมีเครื่องตรวจจับหลายเครื่องแทนที่จะเป็นเครื่องเดียว?

เครือข่ายเครื่องตรวจจับช่วยยืนยันว่าสัญญาณเป็นปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ไม่ใช่เสียงรบกวนในพื้นที่ และด้วยการเปรียบเทียบเวลาที่มาถึงของสัญญาณจากสถานที่ที่ห่างกันมาก ทำให้สามารถระบุตำแหน่งของแหล่งกำเนิดบนท้องฟ้าได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการชี้กล้องโทรทรรศน์เพื่อการติดตามผลแบบหลายผู้ส่งสาร