Interferometre er undersøgelsesværktøjer, der anvendes inden for mange områder af videnskab og teknik. De kaldes interferometre, fordi de fungerer ved at sammensmelte to eller flere lyskilder for at skabe et interferensmønster, som kan måles og analyseres; deraf “Interfere-o-meter”, eller interferometer. De interferensmønstre, som interferometre frembringer, indeholder oplysninger om den genstand eller det fænomen, der undersøges. De anvendes ofte til at foretage meget små målinger, som ikke kan foretages på anden måde. Det er derfor, de er så effektive til detektering af gravitationsbølger – LIGO’s interferometre er designet til at måle en afstand på 1/10.000 af en protons bredde!

Interferometre, der anvendes meget i dag, blev faktisk opfundet i slutningen af det 19. århundrede af Albert Michelson. Michelsons interferometer blev brugt i 1887 i “Michelson-Morley-eksperimentet”, som havde til formål at bevise eller afkræfte eksistensen af “lysende æter” – et stof, som man på det tidspunkt troede gennemsyrede universet. Alle moderne interferometre har udviklet sig fra dette første interferometer, da det viste, hvordan lysets egenskaber kan bruges til at foretage de mindste målinger. Opfindelsen af lasere har gjort det muligt for interferometre at foretage de mindste tænkelige målinger, som dem, der kræves af LIGO.

Mærkeligt nok adskiller den grundlæggende struktur af LIGO’s interferometre sig kun lidt fra det interferometer, som Michelson konstruerede for over 125 år siden, men med nogle ekstra funktioner, der er beskrevet i LIGO’s interferometer.

Hvordan ser et interferometer ud?

På grund af deres brede anvendelse findes interferometre i mange forskellige former og størrelser. De bruges til at måle alt fra de mindste variationer på overfladen af en mikroskopisk organisme til strukturen af enorme gas- og støvområder i det fjerne univers, og nu bruges de til at detektere gravitationsbølger. På trods af deres forskellige udformninger og de forskellige måder, de anvendes på, har alle interferometre én ting til fælles: de overlejrer lysstråler for at skabe et interferensmønster. Den grundlæggende konfiguration af et Michelson-laserinterferometer er vist til højre. Det består af en laser, en stråledeler, en række spejle og en fotodetektor (den sorte prik), der registrerer interferensmønstret.

Hvad er et interferensmønster?

For bedre at forstå, hvordan interferometre fungerer, er det nyttigt at forstå mere om “interferens”. Enhver, der har kastet sten i en flad, glasagtig dam eller et bassin og observeret, hvad der skete, kender til interferens. Når stenene rammer vandet, genererer de koncentriske bølger, der bevæger sig væk fra kilden. Og hvor to eller flere af disse koncentriske bølger skærer hinanden, interfererer de med hinanden. Denne interferens kan resultere i en større bølge, en mindre bølge eller slet ingen bølge. Det synlige mønster, der opstår, hvor bølgerne skærer hinanden, er simpelthen et “interferens”-mønster.

Principperne for interferens er enkle at forstå. To eller flere bølger interagerer. Du lægger højderne af de separate bølger sammen, når de interagerer, og den resulterende bølge er “interferens”-mønstret. Figuren til højre viser to specifikke former for interferens: total konstruktiv interferens og total destruktiv interferens. Total konstruktiv interferens opstår, når to (eller flere) bølgers toppe og lavpunkter mødes perfekt. Når de lægges sammen, “konstruerer” man en større bølge, hvis størrelse er lig med summen af højderne (og dybderne!) af de to bølger i hvert punkt, hvor de fysisk interagerer. Total destruktiv interferens opstår, når toppene af en eller flere bølger mødes og passer til lavpunkterne af en identisk bølge. Hvis man lægger disse sammen, resulterer det i, at de ophæver hinanden (dvs. de “ødelægger” hinanden).

I naturen vil toppene og lavpunkterne i en bølge ikke altid mødes perfekt med toppene eller lavpunkterne i en anden bølge, som illustrationen viser. Uanset hvor synkrone de er, når de smelter sammen, er højden af den bølge, der opstår som følge af interferensen, praktisk talt altid lig med summen af højderne af de bølger, der smelter sammen, langs hvert punkt, hvor de fysisk interagerer. Så når bølger mødes en smule usynkroniseret, kan der forekomme delvis konstruktiv eller destruktiv interferens. Animationen nedenfor illustrerer denne effekt. Den sorte bølge viser resultatet af at lægge toppene og lavpunkterne for de røde og blå bølger sammen, mens de bevæger sig gennem (interfererer med) hinanden. Ved at lægge højderne/dybderne af hver bølge sammen på hvert punkt, mens de bevæger sig gennem hinanden, fremkommer den sorte bølge. Bemærk, at den oplever et fuldt spektrum af højder fra dobbelt så høj/dybde (total konstruktiv interferens) til flad (total destruktiv interferens). I dette eksempel er den sorte bølge interferensmønsteret (det mønster, der er resultatet af den fortsatte interferens mellem den røde og den blå bølge). Bemærk, hvordan det fortsætter med at ændre sig, så længe de røde og blå bølger fortsætter med at interagere.

Den skiftende sorte bølge er det interferensmønster, der skabes af de røde og blå bølger, når de passerer igennem/interagerer med hinanden.

Paralleller til lys

Det er tilfældigvis sådan, at lysbølger opfører sig ligesom vandbølger. Når to laserlysstråler smelter sammen, genererer de også et interferensmønster, der afhænger af, hvor veljusterede lysbølgerne er, når de smelter sammen. Ligesom i vand opstår der total destruktiv interferens, når bølgetoppene i den ene stråle mødes perfekt med bølgedybderne i den anden stråle. I vand er resultatet ingen bølge. I lys er resultatet intet lys! Omvendt opstår der total konstruktiv interferens, når toppene af en stråle perfekt møder toppene af en anden stråle. Igen er højden af den resulterende bølge i vand lig med summen af de to bølgers højder; i lys er resultatet et lys, der er lig med summen af intensiteterne af de to separate lysstråler. Hvis vi fører denne analogi til ende, kan bølgerne i vand, når de passerer gennem hinanden, opleve hele spektret af interferens fra delvis til total konstruktiv og destruktiv interferens (større bølge, mindre bølge, ingen bølge). I lys er resultatet et fuldt spektrum af lysstyrke, fra mørke til summen af intensiteterne af de interagerende stråler.

Paralleller mellem konstruktiv og destruktiv interferens i vand og med lys. (Tilpasset fra www.explainthatstuff.com)

For at vende tilbage til LIGO’s interferometre er det, der dikterer, hvor veljusterede strålerne er, når de smelter sammen, den afstand, de tilbagelægger, før de smelter sammen. Hvis strålerne tilbagelægger nøjagtig den samme afstand, vil deres lysbølger være perfekt justeret, så de resulterer i total destruktiv interferens (LIGO er bevidst designet til at få dette til at ske, hvis der ikke passerer gravitationsbølger). Men hvis laserne af en eller anden grund ikke tilbagelægger de samme afstande, er deres lysbølger ikke længere synkroniserede, når de smelter sammen, hvilket betyder, at intet lys, kun lidt lys eller et lys, der er lige så kraftigt som den oprindelige laserstråle, når fotodetektoren. Og hvis armene ændrer længde over tid, opstår der et flimmer, da strålerne oplever en række interferencer afhængigt af, hvordan de mødes på et givet tidspunkt.

Hvordan påvirker gravitationsbølger LIGO’s interferometer?

Gravitationsbølger får selve rummet til at strække sig i én retning og samtidig komprimere sig i en vinkelret retning. I LIGO bevirker dette, at den ene arm af interferometeret bliver længere, mens den anden bliver kortere, og så omvendt, frem og tilbage, så længe bølgen passerer. Den tekniske betegnelse for denne bevægelse er “Differential Arm”-bevægelse eller differentiel forskydning, da armene samtidig ændrer længde på modsatrettede måder, eller differentielt.

Som beskrevet ovenfor ændres længden af armene, og det samme gør den afstand, som hver laserstråle tilbagelægger, når længden af armene ændres. En stråle i en kortere arm vil vende tilbage til stråleopdeleren før strålen i en længere arm, hvorefter situationen skifter, når armene svinger mellem at være længere og kortere. Da de ankommer på forskellige tidspunkter, mødes lysbølgerne ikke længere pænt, når de rekombineres ved strålesplitteren. I stedet skifter de ind og ud af linje eller “fase”, når de smelter sammen, mens bølgen får armlængderne til at svinge. Dette resulterer simpelt sagt i et flimmer af lys, der kommer ud af interferometeret. Denne proces er illustreret i klippet til højre fra Einstein’s Messengers .

Mens idéen i princippet virker næsten enkel, er det i praksis ikke let at opdage dette flimmer. Ændringen i armlængden forårsaget af en gravitationsbølge kan være så lille som 1/10.000 af bredden af en proton (det er 10-19 m)! Desuden er det en anden sag at finde et gravitationsbølgeflimmer blandt alle de andre flimmer, som LIGO oplever (forårsaget af alt, der kan ryste spejlene, som f.eks. jordskælv eller trafik på nærliggende veje). LIGO Technology beskriver i detaljer, hvordan LIGO filtrerer meget af denne “støj” fra for at opdage det afslørende “flimmer” af lys forårsaget af en gravitationsbølge.