ขยายขอบเขตของเราไปสู่จักรวาลด้วยการเคลือบกระจกใหม่
วัสดุเคลือบ LIGO ที่จะทดสอบจะเกาะอยู่บนแผ่นกระจกบาง ๆ ซึ่งเล็กกว่ากระจก LIGO มาก สีชมพูในภาพเกิดจากชั้นโลหะออกไซด์บางๆ ที่เกาะอยู่บนพื้นผิว เครดิต: Caltech เนื่องจากการตรวจจับที่ก้าวล้ำของ Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) ในปี 2558 ของคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำที่ชนกัน หอดูดาวร่วมกับบริษัทพันธมิตรในยุโรปอย่าง Virgo ได้ตรวจพบสิ่งที่คล้ายกันหลายสิบชนิด เสียงก้องของจักรวาลที่ส่งระลอกคลื่นผ่านอวกาศและเวลา ในอนาคต เมื่อมีการอัปเกรดหอสังเกตการณ์ LIGO ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติมากขึ้นเรื่อยๆ แห่งหนึ่งในเมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน และอีกแห่งหนึ่งในลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา สิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ คาดว่าจะสามารถตรวจจับเหตุการณ์ในจักรวาลสุดโต่งเหล่านี้ได้เป็นจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ การสังเกตเหล่านี้จะช่วยไขปริศนาพื้นฐานเกี่ยวกับจักรวาลของเรา เช่น หลุมดำก่อตัวอย่างไรและส่วนประกอบในจักรวาลของเราผลิตขึ้นอย่างไร ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งในการเพิ่มความไวของหอดูดาวนั้นเกี่ยวข้องกับการเคลือบกระจกซึ่งเป็นหัวใจของเครื่องมือ กระจกเงาขนาด 40 กิโลกรัม (88 ปอนด์) แต่ละตัว (มีเครื่องตรวจจับสี่ตัวที่หอสังเกตการณ์ LIGO สองแห่ง) เคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสงที่ทำให้กระจกกลายเป็นกระจก กระจกสะท้อนลำแสงเลเซอร์ที่ไวต่อคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่าน โดยทั่วไป ยิ่งกระจกสะท้อนแสงมากเท่าใด เครื่องดนตรีก็จะยิ่งมีความไวมากขึ้นเท่านั้น แต่มีสิ่งที่จับต้องได้: สารเคลือบที่ทำให้กระจกสะท้อนแสงยังสามารถทำให้เกิดเสียงพื้นหลังในเครื่องมือ ซึ่งเป็นสัญญาณรบกวนที่ปิดบังสัญญาณคลื่นโน้มถ่วงที่น่าสนใจ ตอนนี้ การศึกษาใหม่โดยทีม LIGO ได้อธิบายถึงการเคลือบกระจกชนิดใหม่ที่ทำจากไททาเนียมออกไซด์และเจอร์เมเนียมออกไซด์ และสรุปว่าสามารถลดเสียงรบกวนรอบข้างในกระจกของ LIGO ได้เป็นสองเท่า จะเป็นการเพิ่มปริมาณพื้นที่ที่ LIGO สามารถทำได้ สอบสวนด้วยปัจจัยแปด Gabriele Vajente นักวิทยาศาสตร์การวิจัยอาวุโสของ LIGO ที่ Caltech กล่าวว่า “เราต้องการหาเนื้อหาที่ตรงขอบของสิ่งที่เป็นไปได้ในวันนี้ และผู้เขียนนำบทความเกี่ยวกับงานที่ปรากฏในวารสาร Physical Review Letters “ความสามารถของเราในการศึกษาจักรวาลขนาดใหญ่ทางดาราศาสตร์นั้นถูกจำกัดด้วยสิ่งที่เกิดขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็กมากด้วยกล้องจุลทรรศน์นี้” David Reitze กรรมการบริหารของ LIGO Laboratory ของ Caltech กล่าวว่า “การเคลือบใหม่เหล่านี้ทำให้เราสามารถเพิ่มอัตราการตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงจากสัปดาห์ละครั้งเป็นวันละครั้งหรือมากกว่านั้นได้ การวิจัยซึ่งอาจมีการใช้งานในอนาคตในด้านโทรคมนาคมและเซมิคอนดักเตอร์เป็นความร่วมมือระหว่างคาลเทค มหาวิทยาลัยรัฐโคโลราโด; มหาวิทยาลัยมอนทรีออล; และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดซึ่งใช้ซินโครตรอนที่ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ในการจำแนกลักษณะของสารเคลือบ LIGO ตรวจจับระลอกคลื่นในกาลอวกาศโดยใช้เครื่องตรวจจับที่เรียกว่าอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ในการตั้งค่านี้ ลำแสงเลเซอร์อันทรงพลังจะแบ่งออกเป็นสองส่วน: ลำแสงแต่ละลำจะเคลื่อนที่ไปตามแขนข้างหนึ่งของตู้สุญญากาศรูปตัว L ขนาดใหญ่ไปทางกระจกที่อยู่ห่างออกไป 4 กิโลเมตร กระจกสะท้อนลำแสงเลเซอร์กลับไปยังแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ เมื่อคลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนผ่าน พวกมันจะยืดและบีบพื้นที่ด้วยปริมาณที่แทบจะมองไม่เห็นและยังตรวจจับได้ (น้อยกว่าความกว้างของโปรตอนมาก) สิ่งรบกวนจะเปลี่ยนระยะเวลาของการมาถึงของลำแสงเลเซอร์สองตัวที่แหล่งกำเนิด การกระตุกในกระจกเอง แม้แต่การสั่นสะเทือนจากความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอะตอมในสารเคลือบกระจก อาจส่งผลต่อระยะเวลาของการมาถึงของลำแสงเลเซอร์และทำให้แยกสัญญาณคลื่นโน้มถ่วงได้ยาก Vajente กล่าวว่า “ทุกครั้งที่แสงส่องผ่านระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน แสงนั้นจะสะท้อนเพียงเศษเสี้ยวของแสงนั้น” “นี่เป็นสิ่งเดียวกับที่เกิดขึ้นในหน้าต่างของคุณ: คุณสามารถเห็นภาพสะท้อนจาง ๆ ของคุณในกระจก การเพิ่มวัสดุที่แตกต่างกันหลายชั้น เราสามารถเสริมกำลังการสะท้อนแต่ละครั้ง และทำให้กระจกของเราสะท้อนแสงได้ถึง 99.999 เปอร์เซ็นต์” “สิ่งที่สำคัญเกี่ยวกับงานนี้คือการที่เราได้พัฒนาวิธีใหม่ในการทดสอบวัสดุได้ดียิ่งขึ้น” Vajente กล่าว “ตอนนี้เราสามารถทดสอบคุณสมบัติของวัสดุใหม่ได้ในเวลาประมาณแปดชั่วโมง แบบอัตโนมัติทั้งหมด ก่อนที่มันจะใช้เวลาเกือบหนึ่งสัปดาห์ ซึ่งทำให้เราสามารถสำรวจตารางธาตุโดยลองใช้วัสดุต่างๆ มากมายและการผสมผสานหลายๆ อย่าง บางส่วน วัสดุที่เราทดลองใช้งานไม่ได้ผล แต่สิ่งนี้ทำให้เรามีข้อมูลเชิงลึกว่าคุณสมบัติใดที่อาจมีความสำคัญ” ในท้ายที่สุด นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าวัสดุเคลือบที่ทำจากไททาเนียมออกไซด์และเจอร์เมเนียมออกไซด์จะกระจายพลังงานน้อยที่สุด (เทียบเท่ากับการลดการสั่นสะเทือนจากความร้อน) Carmen Menoni ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโดและสมาชิกของ LIGO Scientific Collaboration กล่าวว่า “เราปรับแต่งกระบวนการผลิตเพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดในด้านคุณภาพแสงและเสียงรบกวนจากความร้อนที่ลดลงของการเคลือบกระจก Menoni และเพื่อนร่วมงานของเธอที่รัฐโคโลราโดใช้วิธีการที่เรียกว่าไอออนบีมสปัตเตอร์เพื่อเคลือบกระจก ในขั้นตอนนี้ อะตอมของไททาเนียมและเจอร์เมเนียมจะถูกลอกออกจากแหล่งกำเนิด รวมกับออกซิเจน จากนั้นจึงสะสมบนกระจกเพื่อสร้างชั้นบางๆ ของอะตอม การเคลือบใหม่อาจใช้สำหรับการสังเกตการณ์ครั้งที่ 5 ของ LIGO ซึ่งจะเริ่มในกลางทศวรรษนี้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม Advanced LIGO Plus ในขณะเดียวกัน การสังเกตการณ์ครั้งที่สี่ของ LIGO ซึ่งเป็นครั้งสุดท้ายในแคมเปญ Advanced LIGO คาดว่าจะเริ่มในฤดูร้อนปี 2022 “นี่เป็นตัวเปลี่ยนเกมสำหรับ Advanced LIGO Plus” Reitze กล่าว “และนี่เป็นตัวอย่างที่ดีของการที่ LIGO อาศัยการวิจัยและพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและเลนส์ล้ำสมัยเป็นอย่างมาก นี่เป็นความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการพัฒนาการเคลือบด้วยแสงที่แม่นยำสำหรับ LIGO ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา” ข้อมูลเพิ่มเติม: Gabriele Vajente et al, การสูญเสียทางกลต่ำ TiO2:GeO2 การเคลือบเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนในเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วง, จดหมายทบทวนทางกายภาพ (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.071101 อ้างจาก: ขยายขอบเขตของเราไปสู่จักรวาลด้วยการเคลือบกระจกใหม่ (2021, 29 กันยายน) ดึงข้อมูลเมื่อ 30 กันยายน 2564 จาก https://phys.org/news/2021-09-cosmos-mirror-coatings html เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น
