امواج گرانشی، موجهای بسیار ضعیفی در فضا هستند که در اثر برخوردهای کیهانی مانند ادغام سیاهچالهها ایجاد میشوند. تشخیص این امواج نیازمند استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخلسنج لیزری است؛ یکی از حساسترین ابزارهای علمی ساختهشده تاکنون. با این حال، مشاهده محیطهای دورتر و دریافت سیگنالهای ضعیفتر مستلزم استفاده از لیزرهای قدرتمندتر است، اما افزایش توان لیزر باعث اعوجاج در آینههای آشکارساز میشود؛ اعوجاجهایی کوچکتر از یک پروتون که میتوانند مسیر سیگنالها را مسدود کنند.
گروهی از پژوهشگران آمریکایی سامانهای جدید به نام فراستی (FROSTI به اختصار Front Surface Thermal Infuser) را برای رفع این مشکل توسعه دادهاند. این فناوری رصدخانههای فعلی مانند LIGO و همچنین آشکارسازهای آینده را قادر میسازد تا کیهان را عمیقتر از همیشه بررسی کنند.
فناوری نوین برای اصلاح اعوجاجها
جاناتان ریچاردسون (Jonathan Richardson)، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا (University of California)، توضیح میدهد: «مشکل این است که افزایش قدرت لیزر شرایط کوانتومی ظریفی را از بین میبرد که برای بهبود وضوح سیگنالها به آنها نیاز داریم. فناوری جدید با اطمینان از اینکه ابزار اپتیکی حتی در سطوح قدرت چند مگاواتی بدون اعوجاج باقی میمانند، این تنش را حل میکند.»
آینههای دستگاه LIGO با قطر ۳۴ سانتیمتر، ضخامت ۲۰ سانتیمتر و وزن ۴۰ کیلوگرم طراحی شدهاند. هنگامی که پرتوهای لیزر چند مگاواتی از آنها عبور میکنند – حدود پنج برابر توان فعلی – گرمای زیادی در آینهها ایجاد میشود که باعث برآمدگیها و فرورفتگیهای میکروسکوپی و کاهش حساسیت دستگاه میشود.
سامانه FROSTI با تاباندن الگوهای حرارتی کنترلشده بر سطح آینه از طریق حلقهای از عناصر گرمکننده، این اعوجاجها را اصلاح میکند. این فرآیند شکل آینه را با دقت تغییر داده و پیچوتابها را صاف میکند، در حالی که نویز اضافی را در حداقل نگه میدارد. این سامانه در خلا فوقالعاده بالای LIGO بدون آلوده کردن آینهها کار میکند. آزمایشها نشان دادهاند که نمونه اولیه FROSTI میتواند توان بسیار بالای لیزر را تحمل کند، اعوجاجهای پیچیده را اصلاح کند و حتی در برابر عدمتراز جزئی پرتو مقاوم باشد.
در حال حاضر، FROSTI برای آینههای ۴۰ کیلوگرمی به کار گرفته شده است، اما این سامانه قابلیت انطباق با آینههای سنگینتر ۴۴۰ کیلوگرمی را دارد که برای آشکارسازهای نسل بعدی مانند کاوشگر کیهانی (Cosmic Explorer) طراحی میشوند. با استفاده از این فناوری، رصدخانههای امواج گرانشی قادر خواهند بود اجرام و رویدادهای کمنورتر و دورتر را شناسایی کنند و حجم قابل مشاهده جهان را تا حدود ده برابر افزایش دهند. این پیشرفت به اخترفیزیکدانان امکان میدهد میلیونها مورد ادغام سیاهچاله و ستاره نوترونی و سایر رویدادهای کیهانی ناشناخته را ردیابی کنند؛ مشاهداتی که میتواند درک ما از پدیدههای بنیادین کیهان را به شکل چشمگیری گسترش دهد.