پوششی تازه برای آینه ها که دانش بشر را از کیهان تا چند برابر افزایش خواهد داد - مسافرت رو

از زمانی که رصدخانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) یا لایگو (LIGO) در سال 2015 امواج گرانشی فراوری شده به وسیله یک جفت سیاهچاله در حال برخورد را شناسایی کرد، این رصدخانه همراه با همتای اروپایی خود یعنی ویرگو (Virgo) ده ها رویداد کیهانی مشابه را که امواج را در فضا-زمان نشر می دهند، شناسایی نموده است.

انتظار می رود که در آینده، با ارتقای بیشتر و بیشتر رصدخانه های لایگو که به وسیله بنیاد ملی علوم آمریکا پشتیبانی می شوند و یکی در هن فورد واشنگتن و دیگری در لیوینگستن لوئیزیانا قرار دارند، شمار بسیار بیشتری از این رویدادهای کیهانی شدید شناسایی شوند. این مشاهدات به حل معماهای اساسی درباره دنیا ما مانند چگونگی تشکیل سیاهچاله ها و چگونگی ساخت اجزای کیهان یاری می نمایند.

یکی از عوامل مهم در افزایش حساسیت رصدخانه ها، پوشش های روی آینه های شیشه ای است که در قلب ابزارهای علمی قرار دارند. هر آینه 40 کیلویی، که در هر آشکارساز دو رصدخانه لایگو چهار عدد از آن وجود دارد، با مواد بازتابنده ای پوشانده شده است که شیشه را به آینه تبدیل می نمایند. آینه ها پرتوهای لیزری را منعکس می نمایند که به امواج گرانشی عبوری حساس هستند.

به طور کلی، هرچه آینه ها بازتاب بیشتری داشته باشند، ابزار حساس تر است، اما یک نکته وجود دارد؛ پوشش هایی که موجب بازتابندگی آینه ها می شوند هم می توانند باعث نویز پس زمینه در دستگاه شوند که این نویزها سیگنال های مطلوب موج گرانشی را پنهان می نمایند.

به تازگی یک مطالعه به وسیله تیم لایگو، نوع تازهی از پوشش آینه ای ساخته شده از تیتانیوم اکسید و ژرمانیوم اکسید را معرفی نموده است که با توان دو، باعث کاهش نویز پس زمینه آینه های این مجموعه می گردد و در نتیجه حجم فضایی را که لایگو می تواند کاوش کند با فاکتور هشت افزایش می دهد.

گابریل واجنته (Gabriele Vajente) دانشمند تحقیقاتی ارشد لایگو در مؤسسه فناوری کالیفرنیا و نویسنده اصلی این مقاله درباره این کار که در نشریه فیزیکال ریویو لترز (Physical Review Letters) منتشر شده است، گفت: ما می خواستیم به لبه آنچه که امروز می توانیم ببینیم دست یابیم. توانایی ما برای مطالعه مقیاس بزرگ نجومی کیهان با آنچه در این فضای بسیار کوچک میکروسکوپی روی می دهد محدود شده است.

دیوید ریتز (David Reitze) مدیر اجرایی آزمایشگاه لایگو از کلتک هم اعلام نمود: با این پوشش های تازه، انتظار داریم که بتوانیم نرخ تشخیص امواج گرانشی را از یک بار در هفته، به یک بار در روز یا حتی بیشتر افزایش دهیم.

این تحقیق که ممکن است در آینده در زمینه های مخابرات و نیمه رساناها کاربرد داشته باشد، با همکاری مؤسسه فناوری کالیفرنیا، دانشگاه ایالتی کلرادو، دانشگاه مونترال و دانشگاه استنفورد، که سینکروترون آن در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC برای توصیف پوشش های تازه استفاده شد، اجرا شده است.

لایگو با استفاده از آشکارسازهایی به نام تداخل سنج، امواج را در فضا-زمان تشخیص می دهد. در این ساختار، یک پرتو لیزر قدرتمند به دو بخش تقسیم می گردد؛ هر پرتو از یک بازوی محفظه خلاء L-شکل بزرگ به سمت آینه هایی در 4 کیلومتری حرکت می نماید.

سپس آینه ها پرتوهای لیزر را به منبعی که از آن سرچشمه گرفته اند بازتاب می دهند. هنگامی که امواج گرانشی از این پرتوها می گذرند، فضا را تقریبا به طور نامحسوس و در عین حال قابل تشخیص (بسیار کمتر از عرض یک پروتون) کشیده و فشرده می نمایند و این آشفتگی ها، زمان بازگشت دو پرتو لیزر به منبع را تغییر می دهند.

با چنین حساسیت بالایی، هر گونه ناهمواری در خود آینه ها، حتی ارتعاشات حرارتی میکروسکوپی اتم ها در پوشش آن ها، می تواند بر زمان رسیدن پرتوهای لیزر اثر بگذارد و جداسازی سیگنال های امواج گرانشی را سخت سازد.

واجنته بیان نمود: هر بار که نور از میان دو ماده مختلف عبور می نماید، بخشی از آن نور منعکس می گردد. این همان چیزی است که در پنجره های اتاق روی می دهد و شما می توانید انعکاس ضعیف خود را در شیشه ببینید. با افزودن چندین لایه از مواد مختلف، می توانیم هر انعکاس را تقویت کنیم و باعث شویم تا آینه ها تا 99.999 درصد بازتابندگی داشته باشند.

به گفته او، نکته مهم درباره این کار، این است که روش تازهی برای آزمایش بهتر مواد ایجاد شده است. این استاد کلتک گفت: اکنون می توانیم خواص یک ماده تازه را در حدود هشت ساعت و کاملا به صورت اتوماتیک آزمایش کنیم، در حالی که پیش از این تقریبا یک هفته طول می کشید. این پیشرفت به ما امکان داد تا جدول تناوبی را با آزمایش مواد مختلف و ترکیب های زیاد آنالیز کنیم. بعضی از موادی که ما امتحان کردیم کار نکردند، اما در عین حال این آزمایش ها به ما بینشی درباره خواصی که می توانند مهم باشند، داد.

در انتها، دانشمندان کشف کردند که یک ماده پوششی ساخته شده از ترکیب تیتانیوم اکسید و ژرمانیوم اکسید، کمترین انرژی را که برابر با کاهش ارتعاشات گرمایی است، تلف می نماید.

کارمن منونی (Carmen Menoni) استاد دانشگاه ایالتی کلرادو و عضو همکاری علمی لایگو گفت: ما فرآیند ساخت را به گونه ای تنظیم کردیم که نیازهای سخت گیرانه برای داشتن کیفیت نوری و کاهش نویز حرارتی پوشش های آینه را برآورده کنیم.

او و همکارانش از روشی به نام کندوپاشی پرتو یونی (Ion Beam Sputtering) برای پوشاندن آینه ها استفاده کردند. در این فرآیند، اتم های تیتانیوم و ژرمانیوم از منبعی جدا می شوند و پس از ترکیب با اکسیژن روی شیشه قرار می گیرند تا لایه های نازکی از اتم ها ایجاد گردد.

پوشش تازه ممکن است برای پنجمین دوره رصدی لایگو، که در اواسط دهه به عنوان بخشی از برنامه ادونسد لایگو پلاس (Advanced LIGO Plus) شروع خواهد شد، استفاده گردد. در همین حال، انتظار می رود که چهارمین دوره رصدی لایگو، آخرین گام در کارزار علمی ادونسد لایگو (Advanced LIGO) تابستان 2022 شروع گردد.

به گفته ریتز این پوشش تازه یک تغییردهنده بازی برای Advanced LIGO Plus و یک نمونه عالی است که نشان می دهد لایگو چقدر شدید به تحقیق و توسعه اپتیک پیشرفته و علم مواد وابسته است. این یافته حالا بزرگ ترین پیشرفت در توسعه پوشش نوری دقیق برای لایگو در 20 سال گذشته محسوب می گردد.

عکس کاور: پوشش تازه روی دیسک شیشه ای که از آینه های لایگو کوچک تر است، آزمایش می گردد. رنگ صورتی به علت لایه نازک اکسید فلزی است.

Credit: Caltech

منبع: Phys.Org