مهندسی بی‌نهایت: لایگو؛ رصدخانه‌ تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی

لایگو (به‌انگلیسی: LIGO) یا رصدخانه‌ی تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ابزار و آزمایشگاهی نجومی است که آزمایش‌های فیزیک در مقیاس وسیع در آنجا انجام می‌شود. همچنین، برای تشخیص امواج گرانشی کیهانی و ایجاد مشاهدات موج گرانشی از آن بهره‌برداری می‌شود.

لایگو متشکل از دو تداخل‌سنج (Interferometers) است که به فاصله‌ای مشخص در دو نقطه از ایالات متحده‌ی آمریکا قرار گرفته‌اند: یکی در هانفوردِ واشنگتن و دیگری در لیوینگستونِ لوییزیانا. این دو برای تشخیص و شناسایی امواج گرانشی هماهنگ هستند. لایگو مجموعه امکانات ملی برای تحقیقات درباره‌ی موج گرانشی است که فرصت‌های گسترده‌ای برای جامعه‌ی علمی برای مشارکت در توسعه و مشاهده و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها فراهم می‌کند.

ابتکار و ایده‌ی خلق لایگو به بنیاد ملی علوم (NSF) تعلق داشت و آن را مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) و مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) طراحی کرده‌ و ساخته‌اند. آن‌ها از سال ۲۰۰۲ تا سال ۲۰۱۰ اطلاعات را جمع‌آوری کردند؛ اما هیچ‌ نوع امواج گرانشی را شناسایی نکردند.

مقدمه

در طول تاریخ، انسان به‌طور جدی به اشکال مختلف نور برای کشف و نحوه‌ی تکامل جهان توجه کرده است. امروزه، در لبه‌ی مرز جدیدی در نجوم قرار داریم: نجوم موج گرانشی. امواج گرانشی اطلاعاتی درباره‌ی حرکت اجسام در جهان در خود نگه می‌دارند. امواج گرانشی اجازه می‌دهند تا بیشتر از قبل به گذشته و تاریخ جهان دست پیدا کنیم. ازآنجایی‌که امواج گرانشی در سایر نقاط جهان جذب یا منعکس نمی‌شوند، قادر خواهیم بود آن‌ها را در شکل‌هایی ببینیم که در آن ایجاد شده‌اند. علاوه‌براین، انسان به‌طور مؤثر قادر خواهد بود موانع بین زمین و منبع موج گرانشی را ازبین ببرد. مهم‌تر از همه، امواج گرانشی توانایی ناشناخته را دارند. هربار انسان‌ «چشم‌های» جدیدی رو به جهان باز کرده، چیز غیرمنتظره‌ای کشف کرده‌ که انقلابی به‌پا کرده است.

شروع آشکارسازی پیشرفته لایگو در سال ۲۰۰۸ و با پشتیبانی بنیاد ملی علوم (NSF) بود. بااین‌حال، با کمک‌های مهم شورای امکانات علمی و فنی بریتانیا و انجمن مکس پلانک آلمان و شورای پژوهشی استرالیا (آشکارسازهای بهبودیافته) در سال ۲۰۱۵ شروع به‌کار کرد. تشخیص امواج گرانشی را همکاری علمی لایگو و ویرگو (Virgo) (تداخل‌سنج واقع در پیزای ایتالیا) با مشارکت بین‌المللی دانشمندان چندین دانشگاه و مؤسسه‌ی تحقیقاتی در سال ۲۰۱۶ گزارش کردند. دانشمندان حاضر در این پروژه ۱۰۰۰ دانشمند در سراسر جهان و ۴۴۰هزار کاربر فعال (انیشتین Home@ – پروژه‌ای داوطلبانه) را شامل می‌شدند. همه‌ی این‌ها را LSC سازمان‌دهی می‌کند و کار آن‌ها تجزیه‌وتحلیل داده در زمینه‌ی نجوم موج گرانشی است. یکی از دستاوردهای این کاربران کشف ۵۵ پالسار رادیویی تا سال ۲۰۱۶ است. پالسار ستاره‌ای نوترونی یا کوتوله سفید است که پرتو تابش الکترومغناطیسی را منتشر می‌کند.

لایگو بزرگ‌ترین و بلندپروازانه‌ترین پروژه‌ای است که NSF منابع مالی آن را تأمین می‌کند. در سال ۲۰۱۷، جایزه‌ی نوبل فیزیک به Rainer Weiss و Kip Thorne و Barry C. Barish برای مشارکت در لایگو و مشاهده‌ی امواج گرانشی اهدا شد.

در مارس۲۰۱۸، لایگو شش مأموریت امواج گرانشی را انجام داده که اولین آن‌ها پنج جفت سیاه‌چاله بودند. ششمین رویداد شناسایی‌شده در ۱۷اوت‌۲۰۱۷، اولین تشخیص برخورد دو ستاره‌ی نوترونی بود که هم‌زمان سیگنال‌های نوری را تولید کرد که به‌وسیله‌ی تلسکوپ‌های معمولی تشخیص‌دادنی بودند. تشخیص و رصد امواج گرانشی درواقع اثبات و ادامه‌ی بخشی از نظریه نسبیت آلبرت انیشتین است.

لایگو چیست؟

لایگو بزرگ‌ترین رصدکننده موج گرانشی جهان و شگفتی و شاهکار مهندسی است. لایگو با دو تلسکوپ بزرگ لیزری از خواص فیزیکی نور و خودِ فضا برای شناسایی و درک مبانی امواج گرانشی استفاده می‌کند. ‌‌لایگو و سایر آشکارسازهای آن برخلاف هر رصدخانه‌ی دیگر روی زمین است. از کسی بخواهید رصدخانه‌ای را برای شما به‌تصویر بکشد. احتمالا چیزی شبیه این عکس خواهد بود: یک گنبد سفید درخشان روی کوهی که تلسکوپی بالای آن قرار گرفته است.

لایگو بیش از رصدخانه‌ای ساده است. گرچه مأموریت آن تشخیص امواج گرانشی از برخی از فرایندهای خشن و پرانرژی جهان است، داده‌های جمع‌آوری‌شده ممکن است اثرهای گسترده‌ای در بسیاری از زمینه‌های فیزیک مانند گرانش، نسبیت، اخترفیزیک، کیهان‌شناسی، فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای بگذارد. درکنار همه‌ی این‌ها لایگو به‌طور جداگانه سبب توسعه‌ی هریک از اجزای کاربردی در نجوم و رصد و فناوری‌های آن‌ها شده است. به‌عنوان رصدخانه‌ای موج گرانشی، لایگو هیچ شباهتی به رصدخانه‌های سنّتی ندارد. می‌توانید تصویر هوایی رصدخانه‌ی موج گرانشی لایگو را ابتدای مقاله مشاهده کنید.

موج‌های گرانشی؛ مفهوم و نحوه‌ی ایجاد آن‌ها

بسیاری از مردم با داستان سیبِ نیوتن آشنا هستند. نیوتن درحالی‌که روزی در زیر درختی نشسته بود، متوجه افتادن سیب روی زمین می‌شود. همچنین، متوجه این موضوع می‌شود که ماه در آسمان است؛ به‌همین‌دلیل فکر می‌کند نیرویی باعث سقوط سیب شده است. این نیرو گرانش است. توده‌ها نیروی گرانشی را احساس می‌کنند؛ زیرا هر توده‌ای در جهان میدان گرانشی خود را دارد که به گرانش تمام توده‌های دیگر در جهان می‌افزاید. با‌توجه‌به نظریه‌ی گرانش نیوتن، وقتی موقعیت جرم تغییر می‌کند یا موقعیتی را تغییر می‌دهد، تمام میدان‌های گرانشی در سراسر جهان، بلافاصله تغییر می‌یابند و نیروهای گرانشی حاصل آن‌ها فورا تغییر می کنند.

نظریه‌ی نسبیت‌ عام عمومی انیشتین، پذیرفته‌شده‌ترین و پذیرفتنی‌ترین توصیف گرانش ادعا می‌کند هیچ اطلاعاتی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند؛ ازجمله اطلاعاتی درباره‌ی موقعیت جرم در جهان که ازطریق میدان گرانشی ارتباط برقرار می‌کنند. نسبیت عام می‌گوید تغییر در میدان گرانشی با سرعت نور از جهان عبور می‌کند. دقیقا این تغییرات در میدان گرانشی است که امواج گرانشی را به‌وجود می‌آورند.

در فیزیک، موج گرانشی موجی است که آن را میدان گرانشی تولید می‌کند. وجود این نوع امواج را آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ ازطریق نظریه‌ی نسبیت عام به‌طور نظری پیش‌بینی کرد و صد سال بعد و در سال ۲۰۱۶، به‌کمک تأسیسات لایگو به‌طور تجربی مشاهده شد. باتوجه‌به اهمیت امواج گرانشی در سال ۲۰۱۷ سه دانشمند، یعنی راینرویس و بری سی. بریش و کیپ اس. تورن به‌طورمشترک جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۷ را به‌خاطر تلاش‌هایشان در زمینه‌ی آشکارساز لایگو و مشاهده‌ی امواج گرانشی دریافت کردند.

در ویدئو بالا می‌توانید لحظه‌ی برخورد دو جرم در فضا و ایجاد موج گرانشی را مشاهده کنید.

موج گرانشی به‌طور نظری انرژی تابش گرانشی را منتقل می‌کند. منابع موج‌های گرانشی قابل‌آشکارسازی شامل سیستم‌های ستاره‌ی دوتایی است که یکی از اعضای آن کوتوله سفید و ستاره‌ی نوترونی یا سیاه‌چاله است. وجود موج گرانشی یکی از عوارض ناوردایی‌لورنتز (برای درک بیشتر کوتیشن پایین را بخوانید) در نسبیت عام است. همچنین، این امر باعث می‌شود سرعت برهم‌کنش‌های گرانشی محدود باشد. بااین‌حال، در فیزیک کلاسیک این‌گونه نیست. ردیابی امواج گرانشی درواقع دو نظریه‌ی مهم فیزیک و کیهان‌شناسی را ثابت کرده‌ است: یکی فرضیه‌ی نسبیت عام انیشتین که حدود صد سال پیش (سال ۱۹۱۶) و دیگری نظریه‌ی تورم‌ کیهانی که در دههٔ هشتاد میلادی مطرح شد. امواج‌ گرانشی چین‌های ریزی در تاروپود هستی هستند؛ مانند امواجی که اقیانوس را درمی‌نوردند. این امواج گرانشی «ازلی» انرژی را در کیهان جابه‌جا می‌کنند. این امواج از ۳۸۰هزار سال پس از مهبانگ در پس‌زمینه‌ی کیهان در ترنم بوده‌اند؛ اما در طول این زمان طولانی، از پلاسمایی بسیار داغ به امواجی بسیار سرد (سه درجه‌ی بالای صفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد) و ضعیف شده‌اند. این امواج کاملا همگون نیستند و مثل نور در هم‌کنشی با الکترون‌ها و اتم‌ها پلاریزه (قطبی) می‌شوند.

ناوردایی‌ لورنتز: در دانش فیزیک، نام تقارن لورنتز (لورنتس) از هندریک لورنتز برگرفته شده و عبارت است از ویژگی طبیعت که می‌گوید نتایج آزمایش‌ها مستقل از جهت‌گیری و سرعت آزمایشگاه در میان فضا هستند. لورنتز در تلاش برای بهبود تبدیلات گالیله تبدیل جدیدی یافت که با آن معادلات ماکسول در سیستم‌های مختصات مختلفی تغییر نمی‌کرد که نسبت به‌هم حرکت دارند و بدین‌ترتیب اساس نسبیت خاص بنا نهاده شد. این تبدیل اکنون تبدیلات لورنتس نامیده می‌شود. یکی از مفاهیم مرتبط‌با تقارن لورنتز، هموردایی لورنتز است که بنابر نظریه نسبیت خاص از ویژگی‌های اصلی فضازمان است. هموردایی لورنتز دو معنی متمایز، اما مرتبط دارد:

۱. کمیت فیزیکی را درصورتی هموردایی لورنتز می‌خوانند که در نمایش گروه لورنتز تبدیل شود. بنابر نظریه‌ی نمایش گروه لورنتز، این کمیت‌ها از نرده‌ای‌ها، چارتانسور‌ها، چاربردار‌ها و اسپینور‌ها ساخته می‌شوند. به‌طور خاص، کمیت نرده‌ای (مانند بازه‌ی فضازمان) در تبدیلات لورنتز بدون تغییر می‌ماند و به آن ناوردایی لورنتز گفته می‌شود؛ یعنی در نمایشی بدیهی تبدیل می‌شوند.

۲. معادله را درصورتی هموردایی لورنتز می‌گویند که بتوان آن را برحسب کمیت‌های هموردایی لورنتز نوشت. ویژگی مهم این معادلات آن است که اگر در چهارچوب لَخت برقرار باشند، در هر چهارچوب لخت دیگری نیز برقرار خواهند بود. این ویژگی از این امر پیروی می‌کند که اگر تمام مؤلفه‌های یکتانسور در چهارچوبی ناپدید شوند، در هر چهارچوب دیگری نیز ناپدید خواهند شد. بنابر اصل نسبیت، این ویژگی ضروری است؛ یعنی همه‌ی قوانین غیرگرانشی باید برای آزمایش‌های یکسانی نتایج یکسانی پیش‌بینی کنند که در رویداد فضازمان در دو چهارچوب مرجع لَخت مختلف رخ می‌دهند.

موج گرانشی به زبان ساده

در فیزیک مدرن، زمان بُعد چهارم جهان محسوب می‌شود. انیشتین دریافت نمی‌توان دو مفهوم فضا و زمان را ازهم جدا کرد و هندسه‌ی جهان چهاربُعدی است (سه بُعد فضا و یک بُعد زمان). او در تئوری نسبیت این هندسه را فضازمان نامید. گرانش یا جاذبه در این تئوری انحنایی در فضازمان است. این انحنا را جرم ایجاد می‌کند. هرچه جرم جسمی بیشتر باشد، انحنای بزرگ‌تری در فضازمان ایجاد می‌کند. این انحنا درواقع موقعیت جسم را مشخص می‌کند. وقتی جسمی حرکت می‌کند، انحنای ایجادشده در فضازمان هم حرکت می‌کند.

برای اینکه این موضوع روشن شود، صفحه‌ی بسیار نرم لاستیکی منعطفی را درنظر بگیرید. اگر توپ بسکتبال روی آن قرار بدهید، جرم زیاد آن باعث فرورفتگی در صفحه‌ی لاستیکی خواهد شد. حال کمی این توپ را بغلتانید تا از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B برود. انحنای موجود در صفحه‌ی لاستیکی نیز همراه با توپ جابه‌جا خواهد شد و از A به B خواهد رفت. واضح است که نقطه‌ی A دیگر انحنا نخواهد داشت و بالا خواهد آمد. این حرکت از پایین به بالای صفحه باعث ایجاد نوعی موج می‌شود. در ساختار فضازمان، این موج موج گرانشی نامیده می‌شود.

رویدادهای عظیم کیهانی مثل انفجار ابرنواخترها که انرژی‌های عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند، موج گرانشی تولید می‌کنند. وقتی آب را در حوض به‌هم بزنید، موج‌های کوچکی ایجاد می‌شود. این موج‌ها را می‌توان به‌مثابه موج گرانشی درنظرگرفت. برای روشن‌ترشدن موضوع انواع امواج گرانشی را می‌توانید در زیر بخوانید:

امواج گرانشی مداوم: این امواج را سیستم‌هایی تولید می‌کند که فرکانس نسبتا ثابت و مشخص دارند. نمونه‌هایی از این‌ها ستاره‌های باینری (دوتایی) یا سیستم‌های‌ سیاه‌چاله‌ای هستند که به یکدیگر متصل می‌شوند یا تک‌ستاره‌ای که با کوه بزرگ یا نوعی بی‌نظمی به‌سرعت در اطراف محورش می‌چرخد. انتظار می‌رود این منابع امواج گرانشی ضعیف، اما نسبتا طولانی داشته باشند؛ زیرا آن‌ها در طول دوره‌های طولانی تکامل یافته‌اند. صدایی که این امواج گرانشی تولید می‌کنند، یک تُنِ مستمر است؛ زیرا فرکانس موج گرانشی آن‌ها تقریبا ثابت است.

امواج گرانشی الهام‌بخش: این امواج در طول مرحله‌ی پایانی سیستم‌های دودویی تولید می‌شوند که دو جرم به‌هم متصل می‌شوند. این سیستم‌ها معمولا می‌تواند دو ستاره‌ی نوترونی یا دو سیاه‌چاله یا یک ستاره‌ی نوترونی یا یک سیاه‌چاله باشد که مدار آن‌ها به نقطه‌ای نزدیک می‌شود که دو توده در‌حال‌جمع‌شدن هستند. همان‌طورکه دو توده در اطراف یکدیگر چرخان می‌شوند، فاصله‌ی اثرهایشان به‌هم کاهش می‌یابد و سرعتشان افزایش می‌یابد. این باعث می‌شود فرکانس امواج گرانشی تا زمان هماهنگ‌شدن افزایش یابد. صدای تولید‌شده‌ی این امواج گرانشی افزایشی است. ابتدا افزایش سرعت و سپس افزایش صدا تا وقتی‌که هماهنگ شوند.

امواج گرانشی انفجاری یا پیاپی: امواج گرانشی انفجاری از منابع ناشناخته یا غیرمنتظره‌ی کوتاه‌مدت تولید می‌شوند. آن‌ها امواج گرانشی هستند که در شب به‌سر می‌برند. هربار انسان‌ها با مجموعه‌ای جدید از چشم‌ها یا سیستم‌های رصدخانه‌ای به جهان نگاه می‌کند (مثلا با استفاده از تلسکوپ برای دیدن نور مرئی یا امواج رادیویی یا آشکارسازهای اشعه‌ی گاما برای دیدن اشعه‌های گاما)، پدیده‌های غیرمنتظره و انقلابی مشاهده می‌کنند. درک اینکه چه چیزی در امواج گرانشی انفجاری وجود دارد، می‌تواند غیرمنتظره باشد. البته فرضیه‌هایی نیز وجود دارند که می‌گویند منشأ این امواج می‌تواند برخی از سیستم‌هایی مانند انفجار ابرنواختر یا اشعه‌ی گاما باشند. بااین‌حال، جزئیات دقیق این سیستم‌ها برای پیش‌بینی و تجزیه‌وتحلیل شکل این امواج بسیار کم است. انتظار می‌رود این امواج گرانشی صداهایی چون Pops یا ترکیدن و Crackles یا شکستگی تولید کنند. گفتن این موضوع دشوار است؛ چراکه منشأ و مبدأ آن‌ها هنوز مشخص نیست.

امواج گرانشی اتفاقی: امواج گرانشی اتفاقی اثرهایی به‌جامانده از تکامل اولیه‌ی جهان است. این امواج گرانشی مانند بسیاری از رویدادهای تصادفی و مستقل ایجادکننده‌ی پس‌زمینه‌ی موج گرانشی کیهانی، مانند میکروموج پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) به‌وجود می‌آیند که احتمالا نور پایینی از انفجار بزرگ است. پیش‌بینی می‌شود انفجار بزرگ نامزد و منشأ اصلی برای تولید بسیاری از فرایندهای تصادفی در تولید امواج گرانشی تصادفی و CMB باشد. بنابراین، ممکن است اطلاعات مربوط به مبدأ و تاریخ جهان را با خود حمل کند. اگر این امواج گرانشی واقعا در انفجار بزرگ متصاعد شده باشند، این امواج به‌اندازه‌ی گسترش جهان گسترش می‌یابند و می‌توانند درباره‌ی ابتدای کیهان به ما بگویند. صدایی که این امواج گرانشی تولید می‌کنند، مداوم و بسیار شبیه به استاتیک است.

فناوری لایگو

هریک از اجزای تشکیل‌دهنده‌ی سیستم لایگو به‌خودی‌خود تکنیک مهندسی است و بدون همکاری یکپارچه، لایگو به‌عنوان ابزاری چندمنظوره هرگز نمی‌تواند به اهداف علمی‌اش دست یابد. باید بدانید اگر هرکدام از اجزای لایگو کوچک‌ترین نقص و خطایی داشته باشند، کل مأموریت شکست می‌خورد و همه‌ی اجزای سیستم آسیب خواهند دید. درادامه، هریک از سیستم‌های اصلی و بحرانی لایگو را به‌طور کلی مرور می‌کنیم.

تداخل‌سنج‌ها (Interferometers)

تداخل‌سنج‌ها (Interferometers) به‌طور گسترده‌ای در علم و صنعت برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک و تغییرات شاخص شکست و بی‌نظمی‌های سطحی استفاده می‌شود. در اواخر قرن نوزدهم، آلبرت مایکلسون تداخل‌سنج را اختراع کرد. در اغلب تداخل‌سنج‌ها، نور از منبعی منفرد به دو پرتو هدایت می‌شود که مسیرهای مختلف نوری را می‌گذرانند. سپس، دوباره برای ایجاد تداخل ترکیب می شوند؛ اما در برخی موارد، دو منبع غیرواقعی نیز می توانند درگیر شوند. در علوم تحلیلی، تداخل‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری طول و شکل اجزای نوری با دقت نانومتری استفاده می‌شوند. آن‌ها بالاترین و دقیق‌ترین ابزار اندازه‌گیری موجود را دارند. تداخل‌سنجی نجومی شامل دو یا چند تلسکوپ جداگانه است که سیگنال‌های آن‌ها را ترکیب می‌کند.

ازآنجاکه تداخل‌سنج‌ها کاربرد بسیار وسیعی دارند، به ​​شکل و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند. آن‌ها برای اندازه‌گیری همه‌چیز از کوچک‌ترین تغییرات روی سطح ارگانیزم میکروسکوپی تا ساختار گسترده‌ی عظیم گاز و گردوغبار در جهان دور و در‌حال‌حاضر، برای تشخیص امواج گرانشی استفاده می‌شود. با وجود طرح‌ها و روش‌های مختلفی که در آن‌ها استفاده می‌شود، همه‌ی تداخل‌سنج‌ها در یک موضوع مشترک هستند: آن‌ها پرتوهای نور را برای ایجاد الگوی تداخل سوق می‌دهند. پیکربندی اولیه‌ی تداخل‌سنج لیزری مایکلسون در شکل زیر نشان داده شده است. این دستگاه شامل لیزر، شکافنده‌ی پرتو، مجموعه‌ای از آینه‌ها و عکس‌گیرنده یا دستگاه عکاسی (نقطه‌‌ی سیاه) است که الگوی تداخل را ثبت می‌کند.

تداخل‌سنج‌ها در اواخر قرن نوزدهم محبوب شدند و چندین نوع متفاوت از آن‌ها وجود دارد که هرکدام به‌طور کلی برمبنای اصولی ساخته شده‌اند که در این مقاله آورده شده‌ است و به نام دانشمندانی نام‌گذاری شده‌اند که آن را کامل کرده‌اند. شش نوع متداول از تداخل‌سنج‌ها عبارت‌اند از: مایکلسون، فابی پرت، فیزا، ماچ‌زندهر، سایناک و تداخل‌سنج تیممن‌گرین.

تداخل‌سنج مایکلسون (به‌نام آلبرت مایکلسون، ۱۸۵۳ تا ۱۹۳۱) احتمالا چون به‌عنوان بخشی از آزمایش مشهور مایکلسون‌مورلی شناخته شده که در سال ۱۸۸۱ ایفای نقش کرد. این زمانی بود که مایکلسون و همکارش، ادوارد مورلی (۱۸۳۸ تا ۱۹۲۳)، از وجود مایع نامرئی مرموز به‌نام اتر یا عنصر آسمانی خبر دادند که فیزیک‌دانان اعتقاد داشتند فضای خالی فضا را پر کرده است. آزمایش مایکلسون‌مورلی، یکی از اقدامات مهم پیش‌ روی تئوری نسبیت آلبرت اینشتین بود.

تداخل‌سنجی نجومی با استفاده از روش سنتز دیافراگم مشاهده‌ها را با وضوح زیاد به‌دست می‌آورد. با این روش، سیگنال‌ها را از خوشه‌ای از تلسکوپ‌های نسبتا کوچک به‌جای تلسکوپ یکپارچه بسیار گران‌قیمت به‌دست می‌آورد.

لایگو در‌حال‌حاضر شامل دو تداخل‌سنج است که دو سیلندر یا لوله‌ Lشکل به طول ۴ کیلومتر (۲.۵ مایل) دارند. این سیلندرها به‌عنوان آنتن عمل می کنند تا موج‌های گرانشی را شناسایی کنند.

تداخل‌سنج لایگو بزرگ‌ترین و حساس‌ترین تداخل‌سنج جهان هستند. این امر در جست‌وجو برای امواج گرانشی بسیار مهم است؛ زیراکه بازوهای تداخل‌سنجی طول بیشتری دارد و لیزر دورتر و دستگاه حساس‌تر می‌شود. این تلاش برای تغییر انداز‌ه‌گیری حتی هزار بار کوچک‌تر از یک پروتون است، بدین معنی که لایگو باید درمقابل هر ابزار علمی ساخته شده حساس‌تر باشد، بنابراین، هرچه طولانی تر باشد، بهتر است. در ویدئو زیر روش کار تداخل‌سنج را می‌توانید ببینید:

مفهوم تداخل‌سنجی به زبان ساده

برای درک بهتر اینکه تداخل‌سنج‌ها چگونه کار می‌کنند، کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی الگوی دخالت می‌تواند کمک کند. درنظر بگیرید سنگی را به حوضچه یا استخر پرتاب کرده‌اید. وقتی واقعه را دیدید، یعنی درباره‌ی مداخلات اطلاعات کسب کرده‌اید. درواقع، سنگ‌ها با برخورد به آب امواج متمرکز ایجاد می‌کنند که از نقطه‌ی ورود سنگ متصاعد می‌شوند. در جایی که دو یا چند امواج متمرکز به‌هم برخورد کنند و متقاطع شوند، شکل آن‌ها تغییر می‌کند و امواج جدیدی ایجاد می‌شود که گاهی اوقات بزرگ‌تر و گاهی کوچک‌تر هستند یا از‌بین می‌روند. شکل جدیدی که از امواج آن دو موج جدا و ازهم تقسیم می‌شوند، الگوی دخالت است.

درست همین اتفاق می‌افتد که امواج نور مانند امواج آب رفتار می‌کنند. وقتی دو پرتو نور لیزر ادغام می‌شوند، بین آن‌ها الگوی تداخل ایجاد می‌شود که به‌نحوه‌ی هماهنگ‌شدن امواج نور هنگام ترکیب آن‌ها بستگی دارد. وقتی دو پرتو نور باهم برخورد می‌کنند، باهم همپوشانی دارند، دخالت می‌کنند و به‌اصطلاح درهم تداخل ایجاد می‌کنند و تفاوت فزاینده‌ی بین آن‌ها الگوی مناطق روشن و تاریک (به‌عبارت دیگر مجموعه‌ای از حاشیه‌های تداخل) ایجاد می‌کند. نواحی روشن مکان‌هایی هستند که دو پرتو آن‌ها باهم ترکیب و روشن‌تر می‌شوند (سازنده). نواحی تاریک مکان‌هایی هستند که پرتوها از یکدیگر جدا شده‌اند (مخرب). الگوی دقیق تداخل به راه‌های مختلف یا فاصله‌ی اضافی بستگی دارد که یکی از پرتوها به آن سفر کرده است. با بررسی و اندازه‌گیری حاشیه‌ها، می‌توانید این را با دقت زیادی محاسبه کنید. این به شما اندازه‌گیری دقیقی از هر چیزی می‌دهد که می‌خواهید به آن برسید.

جداسازی لرزه‌ای

بزرگ‌ترین قوت لایگو بزرگ‌ترین ضعف آن نیز محسوب می‌شود. لایگو برای اندازه‌گیری کوچک‌ترین حرکات ناشی از ضعیف‌ترین تحرکات موج گرانشی طراحی شده و به تمام ارتعاشات نزدیک (مانند حرکت کامیون‌ها و خودروها در جاده‌های نزدیک) و دور (زلزله در جاهای دیگر جهان) بسیار حساس است. ازاین‌رو بدون استفاده از اقدامات ویژه، هر تعداد از ارتعاشات زمین و کوچک‌ترین حرکتی می‌تواند آینه‌های اصلی لایگو را حرکت دهد. دانشمندان لایگو آن‌ها را توده‌های آزمایشی نامیده‌اند. برای رفع این مشکل لایگو از جداسازی حداکثر ارتعاش محیط‌زیستی استفاده می‌کند. برای این منظور، لایگو با استفاده از چندین روش و دسته‌بندی لرزه‌ها به دو دسته‌ی فعال و غیرفعال آن‌ها را ازبین می‌برد. شایان ذکر است به سیستم حذف تحرکات زیست‌محیطی و غیرموجی جداسازی‌ لرزه‌ای می‌گویند.

عکسی از سیستم جداسازی لرزه‌ای داخلی (ISI)

دمیدن فعال

اولین خط دفاع لایگو دربرابر لرزش‌های ناخواسته، سیستم مهار فعال است. سیستم جداسازی لرزه‌ای داخلی (ISI) شامل دستگاه‌هایی است که جنبش‌های زمینی را حس می‌کنند و سپس به‌صورت عمدی حرکات متقابل را برای ازبین‌بردن آن‌ها انجام می‌دهند و ابزار را بدون حرکت نگه می‌دارند.

بدیهی است محیط محلی همیشه باعث یک یا چند شکل از ارتعاش یا حرکت می‌شود. سیستم ISI LIGO شامل حسگرهای طراحی‌شده برای احساس فرکانس‌های مختلف ناشی از ارتعاشات گوناگون محیطی است. این حسگرها درکنار یکدیگر کار می‌کنند و سیگنال‌هایشان را به کامپیوتر می‌فرستند تا اثرهای همه‌ی این حرکات را ترکیب و سپس، با تولید شبکه‌ای ضدحرکت تمام ارتعاشات را لغو کند. کارکرد این سیستم بسیار شبیه به هدفون‌هایی است که به Noise-Canceling یا سیستم حذف سروصدای اطراف مجهز هستند.

دمیدن غیرفعال

سیستم دمیدن غیرفعال لایگو از پاندولی چهارمرحله‌ای به‌نام کواد (Quad) ساخته شده است. در کواد، توده‌های آزمایشی لایگو (آینه‌های آن) در انتهای چهار پاندول تعلیق می‌شوند. طرف حلقه‌ی اصلی با پرتو لیزر مواجه است؛ درحالی‌که طرف توده‌ی واکنش به حذف توده‌ی آزمایشی از سروصدایی کمک می‌کند که به منابع فضایی مربوط نیست. این پیکربندی هر حرکتی را جذب می‌کند که به‌طور کامل آن را سیستم فعال (ISI) لغو نمی‌کند. وزن خالص اجزای سیستم تعلیق (وزن هر آینه چهل کیلوگرم است) به‌لطف قانون اینرسی از حرکت آینه جلوگیری می‌کند.

همکاری مشترک سیستم لرزه‌ای دمیدن غیرفعال و فعال به آینه ها و لیزر لایگو اطمینان می‌بخشد که از هر نوع صدای خارجی و لرزه‌های فیزیکی ممکن پاک شوند.

سیستم پاندول چهارمرحله‌ای کواد (Quad)

خلأ

لایگو یکی از مکند‌های بزرگ و پاک‌ پایدار در زمین محسوب می‌شود که ازنظر حجمی، تنها از هادرون بزرگ Collider در سوئیس پیشی گرفته است. فشار جوّی در داخل لوله‌های خلأ لایگو به یک‌تریلیون فشار هوای سطح دریا می‌رسد. لایگو به دو دلیل به این دو خلأ نیاز دارد:

۱. هوا یا حتی فقط چند مولکول هوا می‌تواند با ایجاد سروصدا باعث تغییرات کوچک در فاصله‌ی بین آینه‌ها شود و حتی مانند ماسکی ممکن است آن‌ها را بپوشاند. وجود مولکول‌های هوا در داخل خلأ ممکن است باعث جنبش براونی (حرکت تصادفی ناگهانی ذرات میکروسکوپی) شود. مولکول‌های هوا وقتی به سطح آینه می‌رسند، آن‌ها را می‌توانند حرکت دهند و موجب انعکاس امواج‌گرانشی شوند. همچنین، وجود هوا در مسیر نور لیزر باعث تغییر مسیر آن نیز می‌شود. حتی اگر فقط چند مولکول هوا به پرتو نور لیزر برخورد کنند، فاصله‌ی آشکاری بین آینه‌ها می‌توانند ایجاد کنند و حتی آن‌ها را تحت‌تأثیر قرار دهند و باردیگر جلوه‌های ظریف موج گرانشی گذرا را پنهان کنند.

۲. گرد‌و‌غباری که به مسیر لیزر یا بدتر از آن به مسیر یکی از آینه رفته، باعث پراکندگی نور می‌شود. بدون عمل در چنین خلأ باکیفیتی ممکن است لیزر لایگو منحرف شود و الگوهای تداخل ناخواسته‌ای ایجاد کند. درنهایت، سیستم تشخیص لایگو دچار اشتباه و حتی در حرکات گرانشی ناخواسته و بی‌مصرف غرق می‌شود. به‌زبانِ‌ساده‌تر، ازدست‌دادن هر فوتون نور لیزر می‌تواند توانایی لایگو برای تشخیص امواج گرانشی را فلج کند.

ایجاد چنین حجم زیادی از فضای خالی روی زمین کار ساده ای نبود. مهم‌ترین تکنیک‌ها برای حذف تمام مولکول‌های هوای داخل لوله‌های خلأ لایگو به‌شرح زیر است:

لوله‌ها به مدت سی روز با دمای ۱۵۰ تا ۱۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت داده شدند تا مولکول‌های گاز باقی‌مانده را بیرون بکشند. پمپ‌هایی از جنس و نوع توربوپمپ (مانند موتورهای جت کوچک که مکش را به‌جای رانش ایجاد می‌کنند) مقدار زیادی از هوای موجود داخل لوله‌ها را ازبین بردند. سپس پمپ‌های یونی به‌طور انحصاری با شارژ الکتریکی، مولکول‌های گاز باقی‌مانده‌ی داخل لوله‌ها را استخراج و آن‌ها را مانند آهن‌ربا با دور مخالف جذب می‌کنند. ازآنجایی‌که فلز داخل محفظه‌ی خلأ همیشه مولکول‌های گازهای خروجی منتشر می‌کند، این پمپ‌ها به‌طور مداوم به‌منظور حفظ خلأ اولیه‌ی درون لوله‌ها در‌حال‌عمل هستند.

فعالیت‌های خروج هوا و ایجاد خلأ به‌مدت چهل روز (۱۱۰۰ ساعت) برای حذف و خارج‌کردن همه‌ی ۱۰هزار مترمکعب هوا و سایر گازهای باقی‌مانده‌ی داخل لوله‌های خلأ لایگو و رسیدن به فشار یک‌تریلیونی سطح دریا طول کشید.

سیستم نوری لایگو

سیستم نورپردازی لایگو عبارت است از: لیزرها و مجموعه‌ای از آینه‌ها و یک دستگاه عکاسی (دستگاهی که سطح نور را اندازه‌گیری می‌کند). برای اندازه‌گیری یک جنبش یا موج گرانشی که ممکن است هزاران بار کوچک‌تر از یک پروتون باشد، اجزای نوری لایگو باید هماهنگ و با دقتی بی‌سابقه عمل کنند. همه‌ی این پروسه با لیزر اصلی شروع می‌شود.

لیزر

همه‌ی ما روزانه لیزرها را در اشاره‌گر لیزر و اسباب‌بازی‌های مختلف یا اسکنر بارکد در فروشگاه موادغذایی مشاهده می‌کنیم. ازآنجا‌که لیرز همه‌جا دردسترس قرار دارد، اکثر ما تمایل داریم بدون دانستن اینکه چگونه کار می‌کنند، آن‌ها را قبول کنیم. اگر شما هم یکی از این افراد هستید، تنها نیستید! اگر می‌خواهید بدانید لیزرها که چگونه کار می کنند، فیلم ویدئویی چگونه لیزرها کار می‌کنند؟ محصول Science Outbound Science دانشگاه کمبریج، توضیح سرگرم‌کننده و آسانی برای درک کارکرد لیزر فراهم می‌کند. وقتی اصول اساسی نحوه‌ی کار لیزرها را درک کنید، درک کارکرد لیزر لایگو بسیار آسان است.

اولین نکته‌ای که باید درک کنید این است که کلمه‌ی لیزر (به انگلیسی LASER) مخفف کلمه‌ی Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation است. درواقع، لیزر به فرایندی بیش از یک چیز اشاره می‌کند؛ اما عموم مردم اکنون از این اصطلاح برای دستگاهی استفاده می‌کنند که پرتو لیزر یا پرتو خود را تولید می‌کند.

لیزر قرارگرفته در قلب لایگو دویست وات است؛ ولی ممکن است تعجب کنید خروجی پرتو لیزر در لایگو دویست وات نیست. درواقع، چهار مرحله برای تقویت قدرت آن درنظر گرفته شده و طول موج آن را تا سطح دقتی بهبود می‌بخشد که قبلا در هیچ نوع لیزری دیده نشده است.

تقویت چندمرحله‌ای برای لایگو ضروری است؛ زیرا به‌طور مداوم به تولید طول موج نوری درخشانی نیاز است. می‌توان گفت لیزر لایگو، تنها لیزر و پایدارترین لیزری است که می‌تواند در این طول موج نور تولید کند. این ثبات و پایداری یکی از عوامل مهم برای توانایی لایگو در تشخیص امواج گرانشی است.

بااین‌حال، در اینجا نیز مشکلی وجود دارد. برای اینکه لایگو با حساسیت کامل عمل کند، لیزر آن باید ۷۵۰ کیلووات نور تولید کند؛ اما لیزر لایگو حداکثر ۲۰۰ وات نور را وارد تداخل‌سنجی می‌کند. بنابراین، همان‌طورکه ساخت تداخل‌سنجی با طول ۱۱۲۰ کیلومتر ناممکن است، ساخت لیزر ۷۵۰کیلوواتی نیز عملی ناممکن است. پس، چگونه لایگو قدرت لیزر خود را ۳۷۵۰ بار افزایش می‌دهد بدون اینکه از قدرت بیشتری استفاده کند؟

بله، آینه‌های بیشتر! به‌طور مشخص آینه‌های بازیافت نیرو بین منبع لیزر و شکافنده‌ی پرتو قرار می‌گیرند. در شکل زیر، می‌توانید فرایند تقویت لیزر را ببینید. در آینه‌ی بازیافت انرژی، نور لیزر برای اولین‌بار ازطریق آینه عبور می‌کند تا به شکافنده‌ی پرتو برسد؛ یعنی جایی‌که در آن تقسیم می‌شود و به‌سمت بازوهای داخلی حرکت می‌کند.

آینه‌ها

آینه‌های لایگو بهترین کیفیت ممکن را دارند و از شیشه‌های سیلیکا با پوشش بسیار خالص ساخته شده‌اند. هرکدام از این آینه‌ها سه‌میلیون فوتون را جذب می‌کنند. جذب در آینه‌ها بسیار مهم است؛ زیرا هرچه جذب در آینه‌ها بیشتر باشد، نور لیزر بیشتری منعکس می‌شود. بازتاب بیشتر نورها بدان معنی است که آینه‌ها مستعد گرمایش نیستند. گرمای بیش‌ازحد از لیزر می‌تواند آینه‌ها را به‌اندازه‌ای تغییر دهد که کیفیت نور لیزر را کاهش دهند. هرگونه تخریب و اختلال در سیستم آینه‌ها توانایی لایگو را برای تشخیص موج گرانشی از سروصدای محیطی مختل می‌کند. درنهایت، سطح بسیار بازتابنده‌ی آینه‌ها قدرت لیزر را حفظ می‌کند. همچنین، قدرت بیشتر و رزولوشن و دقت لایگو را بهبود می‌بخشد.

درنهایت، آینه‌ها آن‌قدر دقیق جلا داده شده‌اند که تفاوت بین طراحی نظری (شکل آینه‌ی کاملا براساس کامپیوتر طراحی شده) و سطح آینه‌ی واقعی جلا داده‌شده درحد اتم اندازه‌گیری شده است. این عمل بسیار اهمیت دارد؛ چراکه هر نور لیزر در هر بازو، قبل از آنکه با جفت خود ادغام شود، حدود ۱۱۲۰ کیلومتر حرکت می‌کند و درنهایت، به دستگاه عکاسی (Photodetector) می‌رسد. حفظ پایداری و خلوص نور لیزر یکی از مشکلات بزرگ لایگو است.

مختصری از نحوه‌ی عملکرد لایگو

آزمایشی که در لایگو انجام می‌شود، تقریبا مشابه آزمایش مایکلسون‌مورلی است. هر آشکارساز به‌شکل L خیلی بزرگ است با دو بازو به طول چهار کیلومتر. نور لیزر درون هر بازو مرتب بازتاب می‌شود. ساعت اتمی بسیار دقیقی مدت زمانی را اندازه می‌گیرد که طول می‌کشد نور به انتهای بازو برود و برگردد. در حالت عادی، هر دو بازو به یک طول هستند؛ بنابراین، نور یک زمان مشخص طول می‌کشد که از آن‌ها عبور کند. به‌همین‌دلیل، وقتی دو پرتو از بازوها بازتاب می‌شوند، شکلی یکسان دارند و می‌توان آن‌ها را روی‌هم انداخت تا همدیگر را خنثی کنند (تداخل مخرب). اگر موج گرانشی از میان آن عبور کند، هرچند طول بازوها تغییر می‌کند، این موج در یک جهت است؛ بنابراین، بازوها دیگر طول برابر ندارند.

طبق نظریه‌ی نسبیت، سرعت نور برای هر مرجعی ثابت است؛ بنابراین، نور زمان متفاوتی طول می‌کشد تا از هر بازو عبور کند و همدیگر را کامل ازبین نمی‌برند. سپس، با تجزیه‌وتحلیل موج به‌دست‌آمده از ترکیب این دو موج، اطلاعات موج گرانشی را به‌دست می‌آورند. از روی تداخل، پژوهشگران می‌توانند طول نسبی دو بازو را در حدود ۱،۱۰۰۰۰۰ قطر پروتون حساب کنند.

البته همان‌طورکه گفته شد، به‌دلیل دقت زیاد مشکلات فراوانی برای تشخیص و تجزیه‌و‌تحلیل وجود دارد و باید لرزش‌هایی مثل زمین‌لرزه و ترافیک را درنظر بگیرند. در ویدئوی زیر، کل کارکرد و اجزای لایگو را می‌توانید مشاهده کنید.

همان‌طورکه می‌دانید، به لایگو رصدخانه می‌گویند؛ اما باید بدانید لایگو تفاوت‌هایی با رصدخانه‌های امروزی دارد که مختصری از آن را برای شما بیان می‌کنیم. لایگو نمی‌تواند امواج گرانشی را به‌تنهایی تأیید کند. این درحالی است که رصدخانه‌ی نجومی می‌تواند عملکرد خود را انجام دهد و اطلاعات جمع‌آوری کند. آشکارسازهای موج گرانشی مثل لایگو نمی‌توانند به‌تنهایی کار کنند و تنها راه تأیید تشخیص موج گرانشی، کارکردن با آشکارساز دیگری است. این تضمین می‌کند که ارتعاشات محلی به‌جای امواج گرانشی تشخیص داده‌ نشده و اشتباهی رخ نداده است. یک آشکارساز می‌تواند در اصل یک موج گرانشی را حس کند و بگوید آن یک انفجار ابرنواختری بوده‌ است. باوجوداین برای تأیید تشخیص، یک سیگنال الکترومغناطیسی همزمان از نوعی دیگر نیز باید ساخته و پرداخته شود.

لایگو نابینا است و برخلاف تلسکوپ‌های نوری و رادیویی، لایگو نمی‌تواند تشعشعات الکترومغناطیسی (نور مرئی و امواج رادیویی و ماکروویو) را مشاهده کند؛ زیرا امواج گرانشی بخشی از طیف الکترومغناطیسی نیستند. درحقیقت تشعشعات الکترومغناطیسی برای لایگو به‌اندازه‌ای غیرضروری است که کاملا دربرابر آن عایق شده‌ و نمی‌تواند چیزی را ببیند؛ اما درعوض می‌تواند امواج گرانشی نامرئی را حس کند.

لایگو کُروی نیست و ازآنجاکه این مجموعه به جمع‌آوری نور ستاره‌ها یا دیگر اجرام موجود در جهان نیازی ندارد، به کروی‌بودن یا نیم‌کره‌ای‌بودن نیازی نخواهد بود. این شکل‌ها به جمع‌آوری بیشتر تشعشعات الکترومغناطیسی کمک می‌کنند،. لایگو به‌جای داشتن چشمی شبیه به رصد‌خانه‌های نجومی،‌ دو گوش بلند به طول چهار کیلومتر دارد که از لوله‌های فولادی خلأ به قطر ۱.۲ متر تشکیل شده‌اند. این لوله‌ها به شکل L درکنارهم قرار گرفته‌اند و لایه‌ای وسیع و ضخیم بتنی آن را از جهان بیرون مجزا کرده‌اند.

محاسبات و جمع‌آوری داده‌ها

وقتی لایگو در حالت «مشاهده» قرار می‌گیرد، هرروز یک ترابایت (۱۰۰۰ گیگابایت) اطلاعات تولید می‌کند. تمام این اطلاعات برای ذخیره‌سازی و بایگانی باید به شبکه‌ی اَبَرکامپیوتر منتقل شوند. چنین اَبَرکامپیوتری در هریک از رصدخانه‌ها، در کالتچ و MIT و سایر مؤسسات قرار دارند. هنگامی‌که داده‌ها به‌صورت ایمن انتقال داده می‌شوند، دانشمندان می‌توانند با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری سفارشی و مختص تشخیص امواج گرانشی داده‌ها را پالایش کنند.

مقدار داده‌ی جمع‌آوری‌شده‌ی لایگو ازنظر بزرگی حجم بی‌نظیر است. درمقابل سیگنال‌های موج گرانشی بسیار کم هستند. آرشیو لایگو در‌حال‌حاضر بیش از یک‌میلیون دی‌وی‌دی داده دارد و هر ساله حدود ۱۷۸هزار دی‌وی‌دی به بایگانی آن اضافه خواهد شد. در شرایط واقعی عددی، آرشیو داده‌ها در Caltech بیش از ۴.۵ پتابایت (Pb) (معادل یک‌میلیون گیگابایت) داده دارد و با نرخی حدود ۰.۸ (۸۰۰ ترابایت) در سال رشد می‌کند. مگر چه خبر است؟ بگذارید روشن‌تر بگوییم: اگر بخواهید یک پتابایت را بشمارید و به‌فرض اینکه در هرثانیه یک بایت را شمارش می‌کنید، ۳۵.۷میلیون سال طول می‌کشد تا به رقم یک پتابایت برسید!

ذخیره‌سازی اطلاعات یک موضوع است و پردازش آن موضوعی دیگر. پردازش و تجزیه‌وتحلیل تمام داده‌های لایگو به زیرساخت محاسباتی وسیع و قدرتمند و ویژه‌ای نیاز دارد. برای اولین‌بار در سال ۲۰۱۵ لایگو آزمایشگاهی راه‌اندازی کرد که ۳۵ میلیون واحد خدمات (MSU) (مقدار پردازش کار هر کامپیوتر در یک ساعت) دارد. این، معادل راه‌اندازی لپ‌تاپ چهارهسته‌ای رده‌بالا برای هزار سال است.

مأموریت و مشاهده‌ها

تشخیص مستقیم امواج گرانشی به‌مدت طولانی بررسی شده است. تلاش برای کشف آن‌ها باعث ایجاد شاخه جدیدی از ستاره‌شناسی و نیز تکمیل تلسکوپ‌های الکترومغناطیسی و رصدخانه‌های نوترینو شده است. جوزف وبر اولین تلاش خود را برای شناسایی امواج گرانشی در دهه‌ی ۱۹۶۰ ازطریق کار در آشکارسازهای نوار انبساط رزونانس آغاز کرد . آشکارسازهای نوار همچنان در شش سایت در سراسر جهان استفاده می‌شود. تا دهه‌ی ۱۹۷۰، دانشمندانی ازجمله راینر وایز (Rainer Weiss) متوجه شدند که تداخل‌سنجی لیزر برای اندازه‌گیری‌های موج گرانشی کاربرد دارد.

همان‌طورکه در مؤسسه‌ی آزمایشگاه لایگو تعریف شده، مأموریت لایگو کشف و تجزیه‌و‌تحلیل موج‌های گرانشی ازطریق تشخیص مستقیم امواج گرانشی است. آشکارسازهای لایگو از تداخل‌سنجی لیزری استفاده می‌کنند تا بتواند اعواج را در فضا‌زمان ثبت و اندازه‌گیری کند.

مأموریت لایگو به‌طور مستقیم مشاهده‌ی امواج گرانشی از منشأ کیهانی است. این امواج به‌واسطه نظریه‌ی نسبیت کلی انیشتین که در سال ۱۹۱۶ پیش‌بینی شده بود، دردست بررسی هستند؛ یعنی زمانی‌که فناوری لازم برای تشخیص آن‌ها هنوز وجود نداشت. وجود آن‌ها به‌طور غیرمستقیم وقتی تأیید شد که مشاهده‌های پالسار دودویی PSR 1913 + 16 در سال ۱۹۷۴ کشف شد. جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۱۹۹۳ به هالس و تیلور برای این کشف اهدا شد.

حقیقت این است که در اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰ و شاید قبل از آن، مقالاتی درباره‌ی امواج نوری و گرانشی انتشار یافتند. در سال ۱۹۶۲، در زمینه‌ی تقویت روش‌های بهره‌برداری از تشخیص امواج گرانشی با فرکانس بالا مقاله‌هایی منتشر و روی آن کار شد.

در سال ۱۹۶۲ ، مارتین گرتسنشتین و VI Pustovoit نخستین مقاله را منتشر کرد که اصول استفاده از Interferometers برای تشخیص امواج گرانشی طولانی‌مدت را توضیح می‌داد. نویسندگان استدلال کردند با استفاده از Interferometers حساسیت می‌تواند 107 تا 1010 برابر بهتر از آزمایش‌های الکترومکانیکی باشد. بعدها و در سال ۱۹۶۵، برگینسکی (Braginsky) به‌طور گسترده‌ای درباره‌ی منابع موج گرانشی و تشخیص احتمالی آن‌ها صحبت کرد. وی با اشاره به مقاله‌ی سال ۱۹۶۲ به امکان تشخیص امواج گرانشی نیز اشاره کرد. البته اگر فناوری اینترفرومتریک و تکنیک‌های اندازه‌گیری بهبود یافته باشد.

در اوت۲۰۰۲، لایگو جست‌وجوی خود را برای امواج گرانشی کیهانی آغاز کرد. انتظار می‌رفت این اندازه‌گیری و تشخیص این سیستم‌ها را شامل شود: سیستم‌های دوتایی (برخورد و هم‌پوشانی ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها)، انفجار ابرنواختری از ستارگان عظیم تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های نوترونی، چرخش ستاره‌های نوترونی با پوسته‌های ناهموار و بقایای تابش گرانشی ایجادشده‌ی انفجار بیگ‌بنگ.

به‌طور خلاصه، مأموریت لایگو مراحل زیر را شامل می‌شود:

مشاهده‌ی منابع موج‌های گرانشی توسعه‌ی آشکارسازهای پیشرفته و بهره‌برداری از امکانات محدود در عملکرد تداخل‌سنج، استفاده از امکانات لایگو برای حمایت از جامعه‌ی علمی و ملی و بین‌المللی، ذخیره‌سازی داده‌ها و کمک به محاسبات منابع برای تجزیه‌وتحلیل داده‌ها توسعه‌ی زیرساخت‌های نرم‌افزاری برای تجزیه‌وتحلیل داده‌ها و شرکت در جست‌وجو و تجزیه‌وتحلیل حمایت از آموزش علمی و اطلاع‌رسانی عمومی مربوط‌به نجوم موج گرانشی

لایگو پیشرفته

پس از سال ۲۰۱۰، لایگو چندین سال برای ارتقای بزرگ آفلاین شد. هدف از این کار نصب آشکارسازهای پیشرفته در زیرساخت‌های لایگو بود. با نصب و ارتقای تجهیزات پیشرفته حساسیت لایگو درمقایسه‌با ابتدا سه‌برابر شد.

اولین موج گرانشی پس از ارتقای لایگو مشاهده شد. با همکاری لایگو و ویرگو در ۱۱فوریه‌ی۲۰۱۶ اعلام شد که اولین موج گرانشی مشاهده شد. این سیگنال GW150914 نام‌گذاری شد. تنها دو روز پس از اینکه آشکارسازهای پیشرفته لایگو به جمع‌آوری داده را شروع کردند، این موج نمایان شد. درواقع، این مشاهده پیش‌گویی نسبیت عام را آشکار می‌کرد. این آشکارسازی وجود سیستم سیاه‌‎چاله‌های دوستاره‌ای و ادغام آن‌ها با یکدیگر را نشان می‌داد.

در ۱۵ژوئن۲۰۱۶، لایگو اعلام کرد رویداد موج گرانشی دیگری در ۲۶دسامبر۲۰۱۵ ساعت ۳:۳۸ UTC ثبت شده است. تجزیه‌و‌تحلیل سیگنال‌های مشاهده‌شده نشان داد این رویداد ناشی از ادغام دو سیاه‌چاله با توده‌های ۱۴.۲ و ۷.۵ جرم‌ خورشیدی هستند که در فاصله ۱.۴میلیارد سال نوری قرار دارند. این سیگنال GW151226 نام‌گذاری شد.

دومین افزایش حساسیت (O2) از ۳۰نوامبر۲۰۱۶ تا ۲۵آگوست۲۰۱۷ در بازوی لیوینگستون به میزان ۱۵ تا ۲۵درصد درمقایسه‌با O1 بهبود داده شد. ارتقای بیشتر بعد از O2 (در مدت‌زمان نامشخص) با وقفه‌ای نُه‌ماهه دنبال می‌شود. لایگو قصد دارد ارتقای حساسیت به O3 را در اوایل سال ۲۰۱۹ آغاز کند. علاوه‌بر رعایت اصول و تلاش‌های لازم برای بهبود بیشتر حساسیت، هدف لایگو دستیابی به حساسیتی است که برای ۲۰۲۱ طراحی و برنامه‌ریزی‌شده است.

نمودار ساده‌ای از لایگویی پیشرفته (بدون مقیاس)

در سال ۲۰۱۷، لایگو چهار موج گرانشی دیگر را دید: ۱. موج گرانشی GW170104 در ژانویه؛ ۲. موج گرانشی GW170608 در ژوئن؛ ۳. موج گرانشی GW170814 در اوت؛ ۴. موج گرانشی GW170817 در اوت. شایان ذکر است GW170814 و GW170817 را Collaboration Virgo مشاهده کردند. برخلاف مشاهده‌های قبلی که ادغام سیاه‌چاله‌ها تنها کشف گرانشی مشاهده‌کردنی بودند، این بار GW170817 از برخورد دو ستاره‌ی نوترونی پدیدار شده بود و همچنین ماهواره‌های پرتوگاما و تلسکوپ‌های نوری الکترومغناطیسی آن را تشخیص داد. مختصری درباره‌ی GW170817 می‌توانید در زیر بخوانید.

GW170817 سیگنال موج گرانشی بود که با همکاری لایگو و تداخل‌سنج ویرگو با استفاده از آشکارساز موج گرانشی در ۱۷اوت‌۲۰۱۷ مشاهده شد و نخستین رویداد موج گرانشی محسوب می‌شد که به‌طور هم‌زمان با همتای الکترومغناطیسی خود دیده شد و درنتیجه، دستیابی به پیشرفتی درخورتوجه در اخترشناسی چندرسانه‌ای را رقم زد. این سیگنال که مدت‌زمان آن نزدیک به صد ثانیه بود، نخستین بازیابی موج گرانشی از ادغام دو ستاره‌ی نوترونی بود که با خط کوتاه انفجاری پرتوگاما (GRB 170817A) همراه بود و در کهکشان بیضوی (NGC 4993) کشف شد. هیچ نامزد یا اثری از ذره‌ی بنیادی نوترینو درباره‌ی منبع سیگنال در جست‌وجوهای پیگیرانه بعدی یافت نشد.

موج گرانشی این رویداد در ساعت ۰۴:۱۲:۴۱ UTC اتفاق افتاد و حدود ۱۰۰ ثانیه با فرکانس ۲۴ هرتز ادامه یافت. در طول این مدت، درحدود ۳۰۰۰ چرخه (سیکل) پوشش داده‌ شده‌ که با فرکانس موج گرانش در‌حال‌افزایش به چندصد هرتز (چرخه‌برثانیه) رسید. ابتدا در آشکارساز ویرگو ایتالیا و سپس ۲۲ میلی‌ثانیه بعد در آشکارساز لایگو‌لیوینگستون در لوییزیانای ایالات متحده‌ی اروپا و پس از ۳ میلی‌ثانیه در آشکارساز لایگوهانفورد در واشینگتن ایالات متحده‌ی آمریکا وارد و ثبت شد. هر سه آشکارساز منبع سیگنال را در یک مساحت ۲۸ درجه مربع در آسمان جنوب با احتمال تقریبی ۹۰درصدمحاسبه کردند.

لایگو ایندیا

LIGO-INDIA یا INDIGO، پروژه‌ی همکاری مشترک بین آزمایشگاه لایگو و ابتکار هند در مشاهده‌های موج گرانشی (IndIGO) است که موجبات تشخیص و آشکارسازی امواج را در کشور هند فراهم می‌کند. آزمایشگاه لایگو با همکاری بنیاد ملی علوم ایالات متحده‌ی آمریکا و شرکای پیشرفته لایگو از انگلیس و آلمان و استرالیا پیشنهاد کرده تمام طرح‌ها و سخت‌افزارها را برای یکی از سه آشکارساز پیشرفته‌ی لایگو در کشور هند نصب و راه‌اندازی کنند تا تیمی از دانشمندان هندی در یک تأسیسات عملیات آشکارسازی آن را انجام و تجزیه‌و‌تحلیل کند.

پروژه‌ی LIGO-India همکاری بین آزمایشگاه لایگو و کنسرسیوم LIGO-India است و این مراکز را شامل می‌شود: مؤسسه‌ی تحقیقات پلاسما، Gandhinagar، مرکز بین‌المللی نجوم و استروفی فیزیک بین دانشگاه (IUCAA)، مرکز تحقیقات پیشرفته‌ی تکنولوژی، اندوره، پونا و راج‌رامانا.

تصویری از شرکت‌کنندگان در برنامه‌ی امواج گرانشی که در دسامبر۲۰۱۳ در مرکز راج‌رامانا برای فناوری پیشرفته (RRCAT) برگزار شد

گسترش فعالیت‌های جهانی در تشخیص موج گرانشی برای تولید شبکه‌ای جهانی و به‌هم‌پیوسته و مشترک مؤثر، برای سال‌ها هدف نهایی لایگو بوده و خواهد بود. در سال ۲۰۱۰، نقشه‌ی راه توسعه را کمیته‌ی بین‌المللی گرانشی موج (GWIC) تهیه و صادر کرد. این نقشه‌ی راه توصیه کرد گسترش مجموعه‌ای از آشکارسازهای اینترفره‌متریک به‌عنوان مهم‌ترین اولویت ادامه یابد. چنین شبکه‌ای از آسترو فیزیک‌دانان یا متخصصان فیزیک نجومی قابلیت‌های جست‌وجوی قوی‌تر و تولیدهای علمی بیشتری خواهد داشت. مطالعات نشان می‌دهد محلی‌سازی منابع ازطریق شبکه مانند قراردادن آشکارساز در هند، می‌تواند بهبود درخورملاحظه‌ای در آشکارسازی ایجاد کند.

بنیاد ملی علوم ایالات متحده‌ی آمریکا مایل بود این جابه‌جایی را انجام دهد و برنامه‌های بعدی را تا زمان افزایش بودجه به‌تأخیر بیندازد. بنابراین، قرار بر این شد کشور میزبان تمام هزینه‌های لازم برای ساخت آزمایشگاهی معادل با سایت‌های آزمایشگاهی لایگو برای اداره‌ی آشکارساز را تأمین کند. اولین محل ظرفیت دوردست در AIGO در غرب استرالیا بود. با‌این‌حال، دولت استرالیا تمایل نداشت تا مِی۲۰۱۱ بودجه‌ی مالی را تأمین کند.

در ژوئن‌۲۰۱۲ در نشست مشترک کمیسیون بین هند و ایالات متحده‌ی آمریکا، درباره‌ی محلی در هند برای شروع پروژه بحث و تبادل‌نظر شد. به‌موازات آن، این پیشنهاد را سازمان تأمین مالی لایگو، یعنی NSF ارزیابی کرد. در اوت‌۲۰۱۲، انجمن علمی ملی ایالات متحده‌ی آمریکا درخواست انتقال آزمایشگاه لایگو و نصب هتروفن H2 interferometer و آماده‌سازی آن برای ارسال و شروع آشکارسازی در LIGO-India را تصویب کرد. در کشور هند، بررسی این پروژه برای تأیید و تأمین بودجه به وزارت انرژی اتمی و وزارت علوم و فناوری ارائه شد. در ۱۷فوریه‌ی۲۰۱۶ و کمتر از یک هفته پس از تأیید لایگو برای راه‌اندازی پروژه‌ی لایگو و تشخیص امواج گرانشی در کشور هند، نارندرا مودی، نخست‌وزیر هند اعلام کرد کابینه موافقتش را برای پروژه‌ی LIGO-India اعلام کرده است.

سایتی در نزدیکی محل زیارت عوندا نگنات در منطقه‌ی هینگلی در غرب هند برای سایت پروژه‌ی LIGO-India انتخاب شده است.

لایگو وویجر

لایگو وویجرر نسل سوم از آشکارساز لایگو است که حساسیت لایگو را تا ۱۰ هرتز کاهش می‌دهد. این طرح با جایگزین‌کردن آینه‌های شیشه‌ای و لیزر ۱۰۶۴ نانومتر باعث کاهش دما و تغییر طول موج طولانی لیزر می شود.

کاوشگر کیهانی

کاوشگر کیهانی طرحی برای تسهیلات یا امکان بزرگ‌تر با سازه‌های طولانی‌تر است که به‌اصطلاح Cosmic Explorer نامیده می‌شود. این پیشنهاد بهبود برای تلسکوپ انیشتین داده شده و اساس آن براساس فناوری لایگو وویجر است. باوجوداین، گسترش پیکربندی آن به‌شکل مثلث ET یا L-shaped LIGO با بازوهای چهل کیلومتر در هر دو حالت است. این تأسیسات می‌تواند در زیر زمین یا روی آن ساخته شود.

جمع‌بندی و سخن پایانی

در طول توسعه‌ی لایگو، فناوری‌های نوآورانه و اختراع‌های شگفت‌انگیز دیگری نیز ایجاد شده است؛ نوآوری‌هایی در زمینه‌های مختلف مانند لیزر، اپتیک، مترولوژی، فناوری خلأ، پیوند شیمیایی و الگوریتم‌های نرم‌افزاری به‌طور مستقیم از کار پیش‌گام و پیشرفته‌ی لایگو مشتق شده است. درواقع، این‌ها اسپین‌آف‌هایی هستند که به‌لطف لایگو متولد شده‌اند.