Başak interferometresi - Virgo interferometer

Başak deneyi
	EGO ve Başak işbirliğine katkıda bulunan kurumların bulunduğu ülke Başak işbirliğine katkıda bulunan kurumların bulunduğu ülke
oluşum	1993
Tip	Uluslararası bilimsel işbirliği
Amaç	Yerçekimi dalgası algılama
Merkez	Avrupa Yerçekimi Gözlemevi
Konum
koordinatlar	43°37′53″K 10°30′16″D / 43.6313°K 10.5045°D Koordinatlar : 43.6313°K 10.5045°D43°37′53″K 10°30′16″D /
Bölge	İtalya
Alanlar	Basit Araştırma
Üyelik	CNRS ( Fransa ), INFN (İtalya), NIKHEF (Hollanda), POLGRAW (Polonya), RMKI (Macaristan) ve İspanya
Sözcü	Giovanni Losurdo
Bağlantılar	LVC (LIGO Bilimsel İşbirliği ve Başak İşbirliği)
Bütçe	On milyon Hakkında Euro yılda
Kadro	Başak deneyine 320'den fazla kişi katkıda bulunuyor
İnternet sitesi	www .virgo-gw .eu

Başak interferometre büyük olan interferometre tespit etmek için tasarlanmış yerçekimi dalgaları tarafından tahmin görelilik genel teorisi . Başak, dış etkenlerden izole edilmiş bir Michelson interferometresidir : aynaları ve enstrümantasyonu askıya alınır ve lazer ışını vakumda çalışır . Enstrümanın iki kolu üç kilometre uzunluğunda ve İtalya'nın Pisa kenti yakınlarındaki Santo Stefano a Macerata'da bulunuyor .

Başak, Fransız CNRS ve İtalyan INFN tarafından kurulan bir konsorsiyum olan Avrupa Yerçekimi Gözlemevi (EGO) tarafından barındırılmaktadır . Başak işbirliği detektörü çalışır ve 14 ülkede 119 kurumu temsil 650'nin üyeden oluşur. Başak'a benzer diğer interferometreler , Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ( Hanford Sitesinde ve Livingston, Louisiana'daki ) iki LIGO interferometresi de dahil olmak üzere, yerçekimi dalgalarını tespit etme amacına sahiptir . 2007'den beri Virgo ve LIGO, dedektörleri tarafından kaydedilen verileri paylaşma ve ortaklaşa analiz etme ve sonuçlarını ortaklaşa yayınlama konusunda anlaşmışlardır. İnterferometrik dedektörler yönlü olmadığından (tüm gökyüzünü incelerler) ve zayıf, seyrek, tek seferlik olaylar olan sinyalleri aradıklarından, sinyal geçerliliğini doğrulamak ve sonuç çıkarmak için birden fazla cihazda bir yerçekimi dalgasının eşzamanlı tespiti gereklidir. kaynağının açısal yönü.

İnterferometre için adlandırılır Başak Kümesi 1,500 yaklaşık galaksilerin içinde Başak takımyıldızı 50 milyon hakkında, ışık yılı Dünya'dan. Hiçbir karasal yerçekimi dalgası kaynağı, tespit edilebilir bir sinyal üretecek kadar güçlü olmadığından, Başak Evreni gözlemlemelidir . Dedektör ne kadar hassas olursa, yerçekimi dalgalarını o kadar fazla görebilir ve bu da potansiyel kaynakların sayısını artırır. Bu, Başak'ın potansiyel olarak duyarlı olduğu şiddet olaylarıyla ilgilidir ( yoğun bir ikili sistemin , nötron yıldızlarının veya kara deliklerin birleşmesi ; süpernova patlaması vb.) nadirdir: Başak ne kadar çok gökada araştırırsa, tespit olasılığı o kadar artar.

Tarih

Başak projesi 1993 yılında Fransız CNRS tarafından ve 1994 yılında deneyin kaynağı olan iki enstitü olan İtalyan INFN tarafından onaylandı . Dedektörün yapımına 1996 yılında İtalya, Pisa yakınlarındaki Cascina sahasında başlandı . Aralık 2000'de CNRS ve INFN, Avrupa Yerçekimi Gözlemevi'ni (EGO konsorsiyumu) kurdu , Hollandalı NIKHEF daha sonra gözlemci ve nihayetinde tam üye olarak katıldı. EGO, Başak sahasının inşasından, bakımından ve dedektörün çalıştırılmasından ve ayrıca yükseltmelerinden sorumludur. EGO'nun amacı aynı zamanda Avrupa'da yerçekimi ile ilgili araştırma ve çalışmaları teşvik etmektir .

Başak İşbirliği Başak interferometre gerçekleştirilmesi ve işletilmesi üzerinde çalışır. Şubat 2021 itibariyle, 14 farklı ülkedeki 119 kurumu temsil eden 650'den fazla üye işbirliğinin bir parçasıdır. Buna Fransa, İtalya, Hollanda, Polonya, İspanya, Belçika, Almanya, Macaristan, Portekiz, Yunanistan, Çekya, Danimarka, İrlanda, Monako, Çin ve Japonya'dan kurumlar dahildir.

İlk Başak dedektörü

2000'li yıllarda Başak dedektörü inşa edildi, devreye alındı ve çalıştırıldı. Cihaz, yerçekimi dalgası sinyallerine karşı tasarım hassasiyetine ulaştı. Bu ilk çaba, Başak teknik tasarım seçimlerini doğrulamak için kullanıldı; ve ayrıca dev interferometrelerin, geniş bir frekans bandında yerçekimi dalgalarını algılamak için umut verici cihazlar olduğunu gösterdi. İlk Başak dedektörünün yapımı Haziran 2003'te tamamlandı ve 2007 ile 2011 arasında çeşitli veri alma periyotları izlendi. Bu çalışmaların bazıları iki LIGO dedektörü ile tesadüfen yapıldı . İlk Başak dedektörü, dört bilim çalışması sırasında 2007'den 2011'e kadar bilimsel verileri kaydetti. 2010'da Virgo süspansiyon sisteminde büyük bir yükseltmeye izin vermek için birkaç aylık bir kapatma oldu: termal gürültüyü azaltmak için orijinal süspansiyon çelik telleri cam elyaflarla değiştirildi. Bu son konfigürasyonla birkaç aylık veri alımından sonra, ilk Başak dedektörü, Advanced Virgo kurulumuna başlamak için Eylül 2011'de kapatıldı.

Gelişmiş Başak dedektörü

Başak burcunun yerçekimi dalgasının ilk doğrudan tespiti, GW170814.

Ancak, ilk Başak dedektörü bu tür yerçekimi dalgalarını tespit edecek kadar hassas değildi. Bu nedenle, 2011 yılında hizmet dışı bırakıldı ve yerini, hassasiyetini 10 kat artırmayı, Evrenin 1.000 kat daha büyük bir hacmini araştırmasına izin vererek, yerçekimi dalgalarının tespitini daha olası hale getirmeyi amaçlayan Gelişmiş Başak dedektörü ile değiştirildi. Orijinal dedektör genellikle "ilk Başak" veya "orijinal Başak" olarak adlandırılır. Gelişmiş Başak dedektörü, ilk dedektörde kazanılan deneyimden ve yapıldığı günden bu yana teknolojik gelişmelerden yararlanır.

Advanced Virgo, 2016 yılında devreye alma sürecini başlattı ve Mayıs ve Haziran 2017'deki ilk "mühendislik" gözlem dönemi için iki gelişmiş LIGO dedektörüne ("aLIGO") katıldı. 14 Ağustos 2017'de LIGO ve Virgo, GW170814 olan bir sinyal tespit etti. 27 Eylül 2017'de bildirildi. Hem LIGO hem de Başak tarafından tespit edilen ilk ikili kara delik birleşmesidir.

Gelişmiş Başak, ilk Başak'tan 10 kat daha hassastır. 2012 tarihli Gelişmiş Başak Teknik Tasarım Raporu VIR–0128A–12'ye göre, gelişmiş Başak , aynadan gelen artık parçacıkları yakalamak için üç kilometre uzunluğundaki kolların her iki ucunda bulunan dört ek kriyotrap ile Başak ile aynı vakum altyapısını korur. kuleler, ancak interferometrenin geri kalanı önemli ölçüde yükseltildi. Yeni aynalar daha büyük (350 mm çapında, 40 kg ağırlığında) ve optik performansları iyileştirildi. İnterferometreyi kontrol etmek için kullanılan kritik optik elemanlar, asılı tezgahlarda vakum altındadır. Ayna sapmalarını yerinde düzeltmek için bir uyarlamalı optik sistemi kurulacaktı . Son Advanced Virgo konfigürasyonunda lazer gücü 200 W olacaktır.

2017 yılında yeni dedektörün kurulumu ile Advanced Virgo için bir dönüm noktasına ulaşıldı. 2017 yılının ikinci yarısında LIGO ile yürütülen ilk ortak bilim, birkaç aylık bir devreye alma sürecinin ardından başladı.

Başak tarafından yerçekimi dalgalarının ilk tespiti, 27 Eylül 2017'de İtalya'nın Torino kentinde bir G7 bilim toplantısı konferansında duyurulan GW170814 olarak bilinir .

Sadece birkaç gün sonra, GW170817 , 17 Ağustos 2017'de LIGO ve Başak tarafından tespit edildi . GW, iki nötron yıldızının birbirine yaklaşması ve nihayet birleşmesiyle son dakikalarda üretildi ve GW tarafından doğrulanan ilk GW gözlemidir. yerçekimi olmayan araçlar.

Başak, daha fazla güncellemenin ardından Nisan 2019'da "O3" gözlem çalışmasına başladı, bir yıl sürmesi ve ardından başka yükseltmeler yapılması planlanıyor.

Gelişmiş Başak interferometresinin bilim durumu

LIGO-Virgo ağı tarafından tespit edilen yerçekimi dalgası sinyallerinin gökyüzü lokalizasyonları .

Advanced Virgo interferometresi , Evrendeki astrofiziksel kaynaklardan gelen yerçekimi dalgalarını tespit etmeyi ve incelemeyi amaçlar . Yer tabanlı interferometrelerin duyarlılığı dahilinde bilinen başlıca yerçekimi dalgası yayan sistemler şunlardır: kara delik ve/veya nötron yıldızı ikili birleşmeleri, dönen nötron yıldızları, patlamalar ve süpernova patlamaları ve hatta Büyük Patlama nedeniyle yerçekimi dalgası arka planı . Ayrıca, yerçekimi radyasyonu, beklenmedik ve teorik olarak tahmin edilen egzotik nesnelerin keşfedilmesine de yol açabilir .

Kara deliklerin ve nötron yıldızlarının birleşmeleri

İki kara deliğin inspirasyonu ve birleşmesiyle yayılan kütleçekim dalgalarının sayısal simülasyonları.

Kara delikler ve nötron yıldızları gibi iki kütleli ve kompakt nesne , inspiral fazda birbiri etrafında dönmeye başladığında, yerçekimi radyasyonu yayarlar ve bu nedenle enerji kaybederler. Bu nedenle, kütleçekimsel dalgaların frekansını ve genliğini artırarak birbirlerine yaklaşmaya başlarlar: bu bir birleşme olgusudur ve milyonlarca yıl sürebilir. Son aşama, iki nesnenin birleşmesi ve sonunda bir kara delik oluşturmasıdır. Dalga formunun birleşmeye karşılık gelen kısmı en büyük genliğe ve en yüksek frekansa sahiptir. Sadece bu sistemlerin sayısal görelilik simülasyonları yapılarak modellenebilir . İnterferometre, kara delik ve nötron yıldızı ikililerinin birleşmesinin geç aşamasına duyarlı olacak şekilde tasarlanmıştır: tüm sürecin yalnızca birkaç milisaniye ile bir saniyesi arasında gözlemlenebilir. Şimdiye kadarki tüm tespitler kara delik veya nötron yıldızı birleşmeleriydi.

dönen nötron yıldızları

Nötron yıldızları, karadeliklerden hemen sonra Evrendeki bilinen en kompakt ikinci nesnedir. Güneşimiz kadar yaklaşık bir buçuk kütleye sahipler, ancak yaklaşık 10 km yarıçaplı bir küre içinde yer alıyorlar. Pulsarlar , periyodik olarak ışık darbeleri yayan nötron yıldızlarının özel durumlarıdır: saniyede 1000 defa dönebilirler. Eksenel simetriden (yüzeydeki küçük bir "dağ") herhangi bir küçük sapma, sürekli yerçekimi dalgaları üretecektir. Advanced Virgo, bilinen pulsardan herhangi bir sinyal algılamadı, bu da mükemmel dönen toplardan sapmanın 1 mm'den az olduğu sonucuna varıyor.

Patlamalar ve süpernovalar

Birkaç milisaniyeden birkaç saniyeye kadar süren herhangi bir sinyal, yerçekimi dalgası patlaması olarak kabul edilir. Süpernova patlamaları, yaşamlarının sonunda büyük kütleli yıldızların kütleçekimsel çöküşü , Advanced Virgo interferometresi tarafından görülebilen kütleçekimsel radyasyon yayar. Bir çok haberci algılama (elektromanyetik ve çekim radyasyon ve Nötrinolar ) daha süpernovaların işlemi ve siyah deliklerin oluşmasına anlamak yardımcı olacaktır.

Yerçekimi dalgası stokastik arka plan

Kozmik mikrodalga fon (CMB) elektromanyetik spektrumun görülebilir Evrenin erken zamandır. Bununla birlikte, kozmolojik modeller, Büyük Patlama'dan hemen sonra oluşan yerçekimi dalgalarının emisyonunu tahmin eder. Yerçekimi dalgaları madde ile çok zayıf etkileştiğinden, böyle bir arka planı tespit etmek Evrenimizin kozmolojik evrimi hakkında daha fazla fikir verecektir.

Ayrıca, astrofiziksel bir arka plan, her zaman yerçekimi dalgaları yayan tüm soluk ve uzak kaynakların üst üste binmesinden kaynaklanmalıdır; bu, astrofiziksel kaynakların ve yıldız oluşumunun evrimini incelemeye yardımcı olacaktır.

egzotik kaynaklar

Fizikçiler tarafından geleneksel olmayan, kompakt nesnelerin alternatif modelleri önerilmiştir. Bu modellerin bazı örnekleri Genel Görelilik içinde tanımlanabilir (kuark ve garip yıldızlar, bozon ve Proca yıldızları, skaler ve Proca tüylü Kerr kara delikleri), kuantum yerçekimine (kozmik sicimler, tüy topları, gravastarlar) bazı yaklaşımlardan ortaya çıkar ve ayrıca gelen alternatif yerçekimi teorilerine (scalarised nötron yıldızı yada karadelik, solucan delikleri ). Teorik olarak tahmin edilen egzotik kompakt nesneler artık tespit edilebilir ve yerçekiminin gerçek doğasını aydınlatmaya veya yeni madde formlarını keşfetmeye yardımcı olabilir. Ayrıca, yeni fiziği ortaya çıkaran tamamen beklenmedik fenomenler gözlemlenebilir.

Artı bir yerçekimi dalgasının polarizasyonu.

Bir yerçekimi dalgasının çapraz polarizasyonu.

yerçekimi dalgası polarizasyonu

Yerçekimi dalgalarının iki polarizasyonu vardır : "artı" ve "çapraz" polarizasyon. Polarizasyon, kaynağın doğasına bağlıdır (örneğin, bir kara delik ikili birleşmesinde önden gelen dönüşler, "çapraz" polarizasyonlu yerçekimi dalgaları üretir). Bu nedenle, yerçekimi radyasyonunun polarizasyonunu tespit etmek, sistemin fiziksel özellikleri hakkında daha fazla fikir verecektir.

Hedefler

Merkez binayı, Mode-Cleaner binasını, tam 3 km uzunluğundaki batı kolunu ve kuzey kolunun başlangıcını (sağda) gösteren Başak deneyinin alanının havadan görünümü. Diğer binalar arasında ofisler, atölyeler, yerel bilgi işlem merkezi ve interferometre kontrol odası bulunmaktadır. Bu fotoğraf çekildiğinde, proje yönetimini ve kantini barındıran bina henüz yapılmamıştı.

Başak ilk hedefi doğrudan gözlemlemektir yerçekimsel dalgalar , bir basit tahminini Albert Einstein 'ın genel görelilik . Keşfi 1993 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen ikili pulsar 1913+16 üzerinde otuz yılı aşkın bir süredir yapılan çalışma , yerçekimi dalgalarının varlığına dair dolaylı kanıtlara yol açtı. Bu ikili pulsarın yörünge periyodunun zaman içinde gözlemlenen evrimi, sistemin yerçekimi dalgaları yayarak enerji kaybettiği hipotezi ile mükemmel bir uyum içindedir. Dönme hareketi hızlanıyor (2004'te 7.75 saat olarak rapor edilen periyodu, yılda 76,5 mikrosaniye azalıyor) ve iki kompakt yıldız her yıl yaklaşık üç metre daha yakınlaşıyor. Yaklaşık 300 milyon yıl içinde birleşmeleri gerekir. Ancak yalnızca bu belirli kozmik çarpışmadan önceki son anlar, Başak gibi bir dedektörde görülebilecek kadar güçlü yerçekimi dalgaları üretecektir. Binary Pulsar B1913+16'nın evrimine ilişkin bu teorik senaryo, Virgo ve LIGO gibi dev interferometrik dedektörlerin ana hedefi olan benzer bir sistemden yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti ile doğrulanacaktır.

Daha uzun vadeli hedef ise, yerçekimi dalgalarını keşfetme birincil hedefini gerçekleştirdikten sonra, Başak, Evreni mevcut teleskop ve dedektörlerden farklı ve tamamlayıcı bir bakış açısıyla gözlemleyerek yeni bir astronomi dalının doğuşunun bir parçası olmayı hedefliyor. Elektromanyetik spektrum ( mikrodalgalar , radyo dalgaları , kızılötesi , görünür spektrum , morötesi , X-ışınları ve gama ışınları ), kozmik ışınların ve nötrinoların incelenmesiyle sağlanan bilgilere yerçekimi dalgalarının getirdiği bilgiler eklenecektir . Yerçekimi dalgası algılamasını gökyüzündeki görünür ve yerel olaylarla ilişkilendirmek için, LIGO ve Virgo işbirlikleri, bu ortakları hızlı bir şekilde bilgilendirmek için (birkaç günlük veya birkaç saatlik zaman ölçeğinde) teleskop kullanan birçok ekiple ikili anlaşmalar imzaladı. potansiyel bir yerçekimi dalgası sinyali gözlemlendi. Bu uyarılar, sinyalin gerçek olup olmadığı bilinmeden gönderilmelidir, çünkü kaynak (eğer gerçekse) yalnızca kısa bir süre boyunca görünür kalabilir.

Bir yerçekimi dalgasının interferometrik tespiti

Bir optik boşlukta yerçekimi dalgasının etkisi

Genel görelilikte, yerçekimi dalgası, ışık hızında yayılan bir uzay-zaman pertürbasyonudur. Daha sonra, ışık yolunu yerel olarak değiştiren uzay-zamanı hafifçe büker. Eğer Matematiksel olarak, konuşma olan genlik gelen çekim dalga ve (küçük olduğu varsayılır) uzunluğu optik boşluğu ışık dolaşımda değişim olduğu ve optik yol çekimsel dalga aşağıdaki formül ile verilir: ${\görüntüleme stili h}$ ${\görüntüleme stili L}$ ${\görüntüleme stili \delta L}$

{\frac {\delta L}{L}}=C\times h

boşluk ve gelen yerçekimi dalgasının yayılma yönü arasındaki nispi yönelime bağlı olan geometrik bir faktör olmakla birlikte . ${\ Displaystyle C\leq 1}$

Algılama prensibi

Başak gibi bir yerçekimi dalgası askıya alınmış interferometrik dedektörün temel şeması (etiketler Fransızcadır)

Başak, aynaları askıya alınmış bir Michelson interferometresidir . Bir lazer , 45 derece eğimli bir ışın ayırıcı tarafından iki ışına bölünür . Girişimölçerin iki dikey kolunda yayılan iki ışın, kolların ucunda bulunan aynalar tarafından yansıtılır ve ışın ayırıcıda yeniden birleşerek bir fotodiyot tarafından algılanan parazitler oluşturur . Gelen bir yerçekimi dalgası, kollardaki lazer ışınlarının optik yolunu değiştirir, bu da fotodiyot tarafından kaydedilen girişim desenini değiştirir.

Potansiyel bir yerçekimi dalgası tarafından indüklenen sinyal, böylece, interferometre çıkışında tespit edilen ışık yoğunluğu varyasyonlarına "gömülü" olur. Bununla birlikte, küresel olarak gürültü olarak adlandırılan birkaç dış neden , girişim modelini sürekli ve önemli ölçüde değiştirir. Bunları ortadan kaldırmak veya azaltmak için hiçbir şey yapılmazsa, beklenen fiziksel sinyaller gürültüye gömülür ve daha sonra tespit edilemez kalır. Virgo ve LIGO gibi dedektörlerin tasarımı, bu nedenle, ölçümü etkileyebilecek tüm gürültü kaynaklarının ayrıntılı bir envanterini gerektirir ve bunları mümkün olduğunca azaltmak için güçlü ve sürekli bir çabaya izin verir. Veri alma periyotları sırasında, özel yazılım, interferometredeki gürültü seviyelerini gerçek zamanlı olarak izler ve en yüksek sesleri tespit etmek ve azaltmak için derin çalışmalar yapılır. Bir dedektörün "çok gürültülü" olduğu her dönem veri analizinden çıkarılır: bu ölü zamanların mümkün olduğunca azaltılması gerekir.

dedektör hassasiyeti

Frekans bandında Başak dedektöründen bir hassasiyet eğrisi [10 Hz; 10 kHz], Ağustos 2011'de hesaplanan "Başak Duyarlılık Eğrileri" . 2011. Arşivlenmiş orijinal , 1 Aralık 2015 tarihinde . Erişim tarihi: 15 Aralık 2015 .. Şekli tipiktir: ayna süspansiyon sarkaç modunun termal gürültüsü düşük frekansta baskındır, yüksek frekanstaki artış ise lazer atış gürültüsünden kaynaklanır. Bu iki frekans bandı arasında ve bu temel gürültülerin üzerine bindirilmiş olarak, çeşitli enstrümantal gürültülerin (aralarında elektrik şebekesinden gelen 50 Hz frekansı ve harmonikleri dahil ) katkıları gibi rezonanslar (örneğin asma tel keman modları) görülebilir. sürekli azaltmaya çalışıyor.

Başak gibi bir dedektör hassasiyeti ile karakterize edilir, cihazın algılayabileceği en küçük sinyal hakkında bilgi sağlayan bir değer rakamı - hassasiyet değeri ne kadar küçükse dedektör o kadar iyidir. Her gürültünün kendi frekans aralığı olduğu için hassasiyet frekansa göre değişir . Örneğin, gelişmiş Başak dedektörünün hassasiyetinin nihai olarak aşağıdakilerle sınırlandırılacağı öngörülmektedir:

sismik gürültü (kaynakları çok sayıda olan herhangi bir yer hareketi: Akdeniz'deki dalgalar, rüzgar, örneğin gündüz trafik, vb.) 10 Hertz'e (Hz) kadar düşük frekanslarda;
aynaların ve askı tellerinin termal gürültüsü, birkaç on Hz'den birkaç yüze kadar;
lazer atış gürültüsü birkaç yüz Hz'nin üzerinde.

Başak, hassasiyeti birkaç Hz ile 10 kHz arasında değişen geniş bantlı bir dedektördür. Matematiksel olarak, duyarlılığı, dedektör tarafından kaydedilen veriler kullanılarak gerçek zamanlı olarak hesaplanan güç spektrumu ile karakterize edilir . Karşıdaki eğri, log-log ölçeği kullanılarak çizilen 2011'den bir Başak genlik spektrum yoğunluğunun (güç spektrumunun karekökü) bir örneğini göstermektedir .

Hassasiyeti geliştirmek

Tek bir optik boşluk yerine bir interferometre kullanmak, dedektörün yerçekimi dalgalarına duyarlılığını önemli ölçüde artırmaya izin verir. Gerçekten de, bir girişim ölçümüne dayalı bu konfigürasyonda, bazı deneysel gürültülerden gelen katkılar büyük ölçüde azaltılır: tek bir boşluğun uzunluğuyla orantılı olmak yerine, bu durumda kollar arasındaki uzunluk farkına bağlıdırlar (yani eşit kol uzunluğu). gürültüyü iptal eder). Ek olarak, interferometre konfigürasyonu , yayılma yönünün enine düzlemde bir yerçekimi dalgasının neden olduğu diferansiyel etkiden yararlanır: bir optik yolun uzunluğu bir miktar değiştiğinde, aynı uzunluktaki dikey optik yol (aynı büyüklük) kadar değişir. ama zıt işaret). Ve bir Michelson interferometresinin çıkış portundaki girişim, iki kol arasındaki uzunluk farkına bağlıdır: dolayısıyla ölçülen etki, basit bir boşluğa göre bir faktör 2 ile büyütülür. ${\görüntüleme stili L}$ ${\görüntüleme stili \delta L}$ ${\görüntüleme stili -\delta L}$

Daha sonra, interferometrenin çeşitli aynalarını "dondurmak" gerekir: hareket ettiklerinde, optik boşluk uzunluğu değişir ve dolayısıyla cihaz çıkış portunda okunan girişim sinyali de değişir. Bir referansa göre ayna konumları ve bunların hizalanması , uzunluklar için bir nanometrenin onda biri kadar bir hassasiyetle gerçek zamanlı olarak doğru bir şekilde izlenir ; açılar için birkaç nano radyan düzeyinde . Dedektör ne kadar hassas olursa, optimum çalışma noktası o kadar dar olur.

Çeşitli aynaların serbestçe hareket ettiği bir başlangıç konfigürasyonundan bu çalışma noktasına ulaşmak bir kontrol sistemi zorluğudur. İlk adımda, her ayna artık hareketini sönümlemek için yerel olarak kontrol edilir; daha sonra, genellikle uzun ve karmaşık olan otomatik bir adım dizisi, bir kişinin bir dizi bağımsız yerel kontrol arasında, bir bütün olarak interferometreyi yönlendiren benzersiz bir küresel kontrole geçiş yapmasına izin verir. Bu çalışma noktasına ulaşıldığında, gerçek zamanlı olarak okunan hata sinyalleri, interferometrenin gerçek durumu ile optimal durumu arasındaki sapmanın bir ölçümünü sağladığından, bunu tutmak daha kolaydır. Ölçülen farklılıklardan, sistemi en iyi çalışma noktasına yaklaştırmak için çeşitli aynalara mekanik düzeltmeler uygulanır.

Yerçekimi dalgalarının interferometrik detektörünün optimal çalışma noktası, ışın ayırıcıda yeniden birleştirilen iki lazer ışınının yıkıcı bir şekilde müdahale ettiği bir konfigürasyon olan "karanlık saçak" dan hafifçe saptırılır: çıkış portunda neredeyse hiç ışık algılanmaz. Hesaplamalar, dedektör hassasiyetinin , ışın ayırıcı üzerindeki kol boşluğu uzunluğu ve lazer gücü nerede olduğu şeklinde ölçeklendiğini göstermektedir . Bunu iyileştirmek için bu iki miktarın arttırılması gerekir. ${\frac {1}{L\times {\sqrt {P}}}}$ ${\görüntüleme stili L}$ ${\görüntüleme stili P}$

Böylece Başak dedektörünün kolları 3 km uzunluğundadır.
Lazer optik yollarının uzunluğunu daha da fazla (50 kat) artırmak için, Fabry-Perot boşlukları oluşturmak için kilometrik kolların girişine yüksek yansıtıcı aynalar yerleştirilmiştir .
Son olarak, interferometre karanlık saçakta ayarlandığından ve kolların ucunda bulunan aynalar da yüksek oranda yansıtma yaptığından, lazer gücünün neredeyse tamamı ışın ayırıcıdan lazer kaynağına geri gönderilir. Bu nedenle, ışığı geri dönüştürmek ve enstrümanın içinde depolamak için bu alana yüksek oranda yansıtıcı ek bir ayna yerleştirilmiştir.

Birinci nesil Başak dedektörünün optik konfigürasyonu. Şemalar üzerinde, çeşitli boşluklarda depolanan gücün büyüklük düzeyi okunabilir.

Enstrüman

Herhangi bir Başak aynası, vakum altında, sismik titreşimleri son derece sönümleyen mekanik bir yapı ile desteklenir. Bir "Superattenuator", teknik olarak ters sarkaç olarak adlandırılan, zemine kenetlenmiş üç uzun esnek bacak tarafından desteklenen bir üst platformdan sarkan bir sarkaç zincirinden oluşur . Bu şekilde 10 Hz'nin üzerindeki sismik titreşimler 10 ¹² kattan fazla azaltılır ve aynanın konumu çok dikkatli bir şekilde kontrol edilir.

Havadan bakıldığında Başak dedektörü, 3 km uzunluğundaki iki dikey koluyla karakteristik bir "L" şekline sahiptir. Kol "tünelleri", lazer ışınlarının ultra yüksek vakum altında hareket ettiği 120 cm çapında vakum borularını barındırır . Işık ve gelen bir yerçekimi dalgası arasındaki etkileşimi artırmak için, lazer kaynağı ile ışın ayırıcı arasında, alet girişinde "geri dönüşüm aynası" adı verilen bir aynanın yanı sıra her kola bir Fabry-Perot optik boşluk yerleştirilir.

Başak, 10 Hz'den 10.000 Hz'e kadar geniş bir frekans aralığında yerçekimi dalgalarına duyarlıdır. Dedektörün ana bileşenleri şunlardır:

Lazer deneyinin ışık kaynağıdır. Hem frekans hem de genlik açısından son derece kararlı olmakla birlikte güçlü olmalıdır. Bir şekilde karşıt olan tüm bu özellikleri karşılamak için, ışın çok düşük güçlü, ancak çok kararlı bir lazerden başlar. Bu lazerden gelen ışık, gücünü 100 faktör artıran birkaç amplifikatörden geçer. İlk Virgo dedektörünün son konfigürasyonu için - "Virgo+" olarak adlandırılan - 50 W'lık bir çıkış gücü elde edilirken, Advanced Virgo'nun son konfigürasyonunda, lazer 200 W sağlar. Tutulan çözüm, sistemin sağlamlığını artırmak için fiberlerden yapılmış bir amplifikasyon aşamasına sahip tam fiberli bir lazere sahip olmaktır. Bu lazer, interferometreye ek gürültü enjekte etmemek ve dolayısıyla yerçekimi dalgası sinyaline duyarlılığı arttırmak için genlik, frekans ve konumda aktif olarak stabilize edilir.
Kol boşluklarının büyük aynaları , interferometrenin en kritik optiğidir. Bu aynalar, her bir kolda rezonanslı bir optik boşluk oluşturarak 3 km'lik kollarda depolanan ışığın gücünü artırmaya izin veriyor. Bu kurulum sayesinde, ışık ve yerçekimi dalgası sinyali arasındaki etkileşim süresi önemli ölçüde artar. Bu aynalar, en son teknolojilerden yapılmış standart olmayan parçalardır. Dünyanın en saf camından yapılmış 35 cm çapında ve 20 cm kalınlığında silindirlerdir . Aynalar, herhangi bir ışığı dağıtmamak (ve dolayısıyla kaybetmemek) için atom seviyesine kadar parlatılır. Son olarak, yansıtıcı bir kaplama ( iyon ışını püskürtme veya IBS ile yapılmış bir Bragg reflektör ) eklenir. Kolların ucunda bulunan aynalar gelen tüm ışığı yansıtır; Her yansımada ışığın %0,002'sinden azı kaybolur.
Aynalara kadar yayılan, onları sallayan ve dolayısıyla potansiyel yerçekimi dalga sinyallerini engelleyen sismik gürültüyü azaltmak için , büyük aynalar karmaşık bir sistem tarafından askıya alınır. Ana aynaların tümü, bir dizi zayıflatıcıya bağlanan silikadan (dolayısıyla camdan) yapılmış dört ince lifle süspanse edilir. 'Süper zayıflatıcı' olarak adlandırılan bu süspansiyon zinciri, 10 metreye yakındır ve aynı zamanda vakum altındadır. Süper zayıflatıcılar yalnızca aynalardaki bozuklukları sınırlamakla kalmaz, aynı zamanda ayna konumu ve yönünün hassas bir şekilde yönlendirilmesine de olanak tanır. Işık algılama için kullanılan tezgahlar gibi lazer ışınını şekillendirmek için kullanılan enjeksiyon optiklerin bulunduğu optik masa da sismik ve akustik gürültüleri sınırlamak için askıda ve vakum altındadır. Gelişmiş Başak için, yerçekimi dalga sinyallerini tespit etmek ve interferometreyi (fotodiyotlar, kameralar ve ilgili elektronikler) yönlendirmek için kullanılan tüm enstrümantasyon ayrıca birkaç asılı tezgah üzerine ve vakum altında kurulur. Bu seçim ve vakum borularının içinde ışık tuzaklarının (bölmeler olarak adlandırılır) kullanılması, dağınık ışıktan kaynaklanan sahte yansımalar nedeniyle artık sismik gürültünün karanlık bağlantı noktası sinyallerine yeniden dahil edilmesini önler.
Başak, toplam 6.800 metreküp hacmiyle Avrupa'nın en büyük ultra yüksek vakum tesisidir. İki 3 km'lik kol, artık basıncın bir atmosferin milyarda birinin yaklaşık binde biri olduğu 1,2 m çapında uzun bir borudan yapılmıştır . Böylece artık hava molekülleri lazer ışınlarının yolunu bozmaz. Büyük sürgülü vanalar kolların her iki ucuna yerleştirilmiştir, böylece aynalı vakum kulelerinde kol ultra yüksek vakumu kırmadan iş yapılabilir. Gerçekten de, her iki Başak kolu da 2008'den beri vakum altında tutuluyor.

Galeri

Başak sitesine genel bakış.
Başak dedektörünün havadan görünümü.
Başak kuzey kolunun başlangıcı; sağda ön planda, merkez bina.
3 km uzunluğundaki Başak kuzey kolunun görünümü.
Başak sitesi, ön planda, dedektör kontrol odasını ve yerel bilgisayar merkezini barındıran bina.
Lazeri ve ışın ayırıcı aynayı barındıran Başak merkez binası.
3 km uzunluğundaki Başak batı kolunun görünümü (sağ boru). 150 m uzunluğundaki soldaki tüp, lazer ışınını mekansal olarak filtrelemek için kullanılan mod temizleyici boşluğuna ev sahipliği yapıyor.