تیمی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، با بهرهگیری از یک دوربین حرارتی تجاری موفق به حل یکی از چالشهای مهندسی رصدخانه LIGO شدهاند. این راهحل ساده اما هوشمندانه، اعوجاجهای حرارتی ریز را در آینههای رصدخانه اصلاح میکند و دید سیستم را به اعماق فضا گسترش میدهد.
جاناتان ریچاردسون، رهبر این پروژه، معتقد است استفاده از فناوریهای موجود برای حل مشکلات LIGO تقریباً بیسابقه است. او در این باره میگوید: «این راهحل نیازی به توسعه هیچ فناوری جدیدی ندارد.»
چالش آینههای LIGO و نقش حرارت
رصدخانه LIGO با استفاده از دو تأسیسات دوقلوی L شکل در ایالتهای واشنگتن و لوئیزیانا، امواج گرانشی ناشی از برخوردهای کیهانی مانند ادغام سیاهچالهها را شناسایی میکند. در داخل هر آشکارساز، یک پرتو لیزر در امتداد دو تونل 4 کیلومتری شلیک شده و از آینههای فوقالعاده بکری در انتهای آنها بازتاب مییابد. عبور یک موج گرانشی از زمین، به طور میکروسکوپی یک تونل را میکشد و دیگری را فشرده میکند. این تغییر کوچک، پرتوهای لیزر را تغییر داده و یک سوسوی نور تولید میکند که نشاندهنده یک رویداد کیهانی دوردست است.
از آنجا که این سیگنالها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند، حفظ هر تکفوتون حیاتی است. آینههای LIGO برای انعکاس 99.9999 درصد نور لیزر صیقل داده شدهاند و در زمره خالصترین اجزای نوری ساختهشده قرار دارند. با این حال، این آینهها بخش بسیار کوچکی از نور شدید لیزر را جذب میکنند. این انرژی به گرما تبدیل شده و سطح آینه را تنها به میزان چند نانومتر تغییر شکل میدهد. همین تغییر شکل کوچک کافی است تا پرتو لیزر اعوجاج یابد و حساسیت کلی رصدخانه کاهش یابد.
راهحل ساده اما هوشمندانه
فیزیکدانان پیشتر میدانستند که میتوانند این اعوجاجها را با اعمال حرارت هدفمند به پشت آینهها خنثی کنند، اما اندازهگیری دقیق این اعوجاجها برای اعمال گرمای اصلاحی چالشبرانگیز بود. تکنیک جدید با ترکیب تصاویر حرارتی مادون قرمز و مدلهای رایانهای موجود، نقشهای از اعوجاجها در سراسر سطح آینه بازسازی میکند.
ریچاردسون این روش را به گرفتن یک عکس مادون قرمز از موتور خودرو تشبیه میکند. یک مهندس با نگاه به الگوی دمای خارجی میتواند استنباط کند که در داخل موتور چه میگذرد. پژوهشگران نیز دقیقاً همین کار را با آینههای LIGO انجام میدهند.
گسترش برد شنوایی در اعماق فضا
اتصال این راهحل به ارتقای پیشروی LIGO، برد رصدخانه را حدود 33 میلیون سال نوری افزایش خواهد داد. در مقیاس عظیم جهان، این عدد ممکن است ناچیز به نظر برسد، اما از آنجا که فضا در سه بُعد گسترش مییابد، افزایش کوچک برد آشکارساز، پنجرهای بهطور نمایی بزرگتر از فضا را باز میکند.
این بهبود به اخترشناسان اجازه میدهد تا امواج کیهانی بسیار بیشتری را «بشنوند» و پتانسیل کشف خشنترین برخوردهای کیهانی که امروزه از دسترس LIGO خارج هستند را بالا ببرد.
آینده رصدخانههای امواج گرانشی
این تکنیک صرفاً یک تعمیر برای LIGO نیست و بخشی از طراحی بنیادین برای «کاوشگر کیهانی» (Cosmic Explorer) خواهد شد. این رصدخانه امواج گرانشی نسل بعدی ایالات متحده برای اواسط دهه 2030 برنامهریزی شده است. کاوشگر کیهانی با بازوهایی به طول 40 کیلومتر (10 برابر بزرگتر از LIGO) برای شناسایی رویدادهای دورتر از برد رصدخانههای امروزی طراحی شده است و تکنیک جدید به آن قدرت بیشتری خواهد بخشید.
با پیادهسازی این تکنیک تصویربرداری حرارتی، نسل بعدی آشکارسازها مرزهای دانش بشر را در درک کیهان جابهجا خواهند کرد. توانایی شنیدن صداهای دورتر از اعماق فضا، ما را یک گام به درک پدیدههای خشنتر و مرموزتر کیهان نزدیکتر میکند.
