Interferometrit ovat tutkimusvälineitä, joita käytetään monilla tieteen ja tekniikan aloilla. Niitä kutsutaan interferometreiksi, koska ne toimivat yhdistämällä kaksi tai useampia valonlähteitä interferenssikuvion luomiseksi, joka voidaan mitata ja analysoida; siitä ”Interfere-o-meter” tai interferometri. Interferometrien tuottamat interferenssikuviot sisältävät tietoa tutkittavasta kohteesta tai ilmiöstä. Niitä käytetään usein hyvin pienten mittausten tekemiseen, joita ei voida tehdä millään muulla tavalla. Siksi ne ovat niin tehokkaita gravitaatioaaltojen havaitsemisessa – LIGO:n interferometrit on suunniteltu mittaamaan etäisyyttä, joka on 1/10 000 protonin leveyden verran!

Tänä päivänä laajalti käytetyt interferometrit keksi itse asiassa Albert Michelson 1800-luvun lopulla. Michelsonin interferometriä käytettiin vuonna 1887 Michelsonin ja Morleyn kokeessa, jonka tarkoituksena oli todistaa tai kumota ”valovoimaisen eetterin” olemassaolo – aineen, jonka tuolloin ajateltiin läpäisevän maailmankaikkeuden. Kaikki nykyaikaiset interferometrit ovat kehittyneet tästä ensimmäisestä interferometristä, sillä se osoitti, miten valon ominaisuuksia voidaan käyttää pienimpienkin mittausten tekemiseen. Lasereiden keksiminen on mahdollistanut sen, että interferometreillä voidaan tehdä pienimpiä ajateltavissa olevia mittauksia, kuten LIGO:n vaatimat mittaukset.

Huomionarvoista on, että LIGO:n interferometrien perusrakenne eroaa vain vähän Michelsonin yli 125 vuotta sitten suunnittelemasta interferometristä, mutta siihen on lisätty joitain ominaisuuksia, jotka on kuvattu teoksessa LIGO’s Interferometer.

Miltä interferometri näyttää?

Laajojen käyttöalueidensa vuoksi interferometrejä on monen muotoisia ja kokoisia. Niillä mitataan kaikkea mikroskooppisen eliön pinnan pienimmistä vaihteluista kaukaisen maailmankaikkeuden valtavien kaasu- ja pölylaajuuksien rakenteeseen ja nyt myös gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Erilaisista rakenteista ja erilaisista käyttötavoista huolimatta kaikilla interferometreillä on yksi yhteinen piirre: ne asettavat valonsäteet päällekkäin interferenssikuvion aikaansaamiseksi. Michelsonin laserinterferometrin peruskokoonpano on esitetty oikealla. Se koostuu laserista, säteenjakajasta, peilisarjasta ja fotodetektorista (musta piste), joka tallentaa interferenssikuvion.

Mikä on interferenssikuvio?

Jotta ymmärtäisimme paremmin, miten interferometrit toimivat, on hyödyllistä ymmärtää lisää ”interferenssistä”. Jokainen, joka on heittänyt kiviä tasaiseen, lasimaiseen lampeen tai uima-altaaseen ja seurannut, mitä tapahtuu, tietää interferenssistä. Kun kivet osuvat veteen, ne synnyttävät samankeskisiä aaltoja, jotka liikkuvat poispäin lähteestä. Siellä, missä kaksi tai useampi näistä samankeskisistä aalloista risteää, ne interferoivat toistensa kanssa. Tämä interferenssi voi johtaa suurempaan aaltoon, pienempään aaltoon tai siihen, ettei aaltoa synny lainkaan. Näkyvä kuvio, joka syntyy aaltojen risteyskohdassa, on yksinkertaisesti ”interferenssikuvio”.

Interferenssin periaatteet ovat yksinkertaisia ymmärtää. Kaksi tai useampi aalto on vuorovaikutuksessa. Kun erillisten aaltojen korkeudet lasketaan yhteen niiden vuorovaikutuksen aikana, tuloksena syntyvä aalto on ”interferenssikuvio”. Oikealla olevassa kuvassa on esitetty kaksi erityistä interferenssityyppiä: täydellinen konstruktiivinen interferenssi ja täydellinen destruktiivinen interferenssi. Kokonaisrakentava interferenssi syntyy, kun kahden (tai useamman) aallon huiput ja laet kohtaavat täydellisesti. Kun ne lasketaan yhteen, ”rakennetaan” suurempi aalto, jonka koko on yhtä suuri kuin kahden aallon korkeuksien (ja syvyyksien!) summa jokaisessa pisteessä, jossa ne ovat fyysisesti vuorovaikutuksessa. Täydellinen destruktiivinen interferenssi tapahtuu, kun yhden tai useamman aallon huiput kohtaavat ja vastaavat identtisen aallon laaksoja. Näiden yhteenlasku johtaa siihen, että ne kumoavat toisensa (eli ne ”tuhoavat” toisensa).

Luonnossa yhden aallon huiput ja laaksot eivät aina kohtaa täydellisesti toisen aallon huippuja tai laaksoja, kuten kuvassa näkyy. Kätevää on, että riippumatta siitä, kuinka synkronissa ne ovat, kun ne yhdistyvät, interferenssin tuloksena syntyvän aallon korkeus on aina yhtä suuri kuin yhdistyvien aaltojen korkeuksien summa jokaisessa pisteessä, jossa ne ovat fyysisesti vuorovaikutuksessa. Kun siis aallot kohtaavat hieman epäsynkronisesti, voi syntyä osittaista rakentavaa tai tuhoavaa interferenssiä. Alla oleva animaatio havainnollistaa tätä vaikutusta. Musta aalto näyttää tuloksen, joka saadaan laskemalla yhteen punaisten ja sinisten aaltojen huiput ja syvänteet, kun ne liikkuvat toistensa läpi (interferoivat). Kun lasketaan yhteen kunkin aallon korkeudet/syvyydet kussakin pisteessä, kun ne liikkuvat toistensa läpi, tuloksena on musta aalto. Huomaa, että se kokee täyden korkeusalueen kaksinkertaisesta korkeudesta/syvyydestä (täydellinen rakentava interferenssi) tasaiseen (täydellinen tuhoava interferenssi). Tässä esimerkissä musta aalto on interferenssikuvio (kuvio, joka syntyy punaisen ja sinisen aallon jatkuvasta interferenssistä). Huomaa, miten se muuttuu niin kauan kuin punainen ja sininen aalto jatkavat vuorovaikutusta.

Muuttuva musta aalto on interferenssikuvio, joka syntyy punaisen ja sinisen aallon kulkiessa toistensa läpi/interferoidessa keskenään.

Paralleeleja valon kanssa

Sattumoisin valoaallot käyttäytyvät aivan kuten vesiaallot. Kun kaksi laservalonsädettä yhdistyy, myös ne synnyttävät interferenssikuvion, joka riippuu siitä, kuinka hyvin valoaallot ovat kohdakkain yhdistymishetkellä. Aivan kuten vedessä, kun toisen säteen aaltojen huiput kohtaavat täydellisesti toisen säteen aallonpohjat, syntyy täydellinen tuhoava interferenssi. Vedessä tuloksena ei ole aaltoa. Valossa tuloksena ei ole valoa! Sitä vastoin kun yhden säteen huiput kohtaavat täydellisesti toisen säteen huiput, syntyy täydellinen rakentava interferenssi. Vedessä tuloksena syntyvän aallon korkeus on taas yhtä suuri kuin kahden aallon korkeuksien summa; valossa tuloksena on valo, joka on yhtä suuri kuin kahden erillisen valonsäteen intensiteettien summa. Kun vedessä aallot kulkevat toistensa läpi, ne voivat kokea täydellisen interferenssin osittaisesta täydelliseen rakentavaan ja tuhoavaan interferenssiin (suurempi aalto, pienempi aalto, ei aaltoa). Valossa tuloksena on kirkkauden koko vaihteluväli, pimeydestä vuorovaikutuksessa olevien säteiden intensiteettien summaan.

Veden ja valon rakentavan ja tuhoavan interferenssin väliset yhtäläisyydet. (Mukailtu osoitteesta www.explainthatstuff.com)

Palatakseni LIGO:n interferometreihin, se mikä sanelee sen, kuinka hyvin säteet ovat samassa linjassa, kun ne yhdistyvät, on etäisyys, jonka ne kulkevat ennen yhdistymistä. Jos säteet kulkevat täsmälleen saman matkan, niiden valoaallot ovat täydellisesti samansuuntaisia niin, että ne johtavat täydelliseen destruktiiviseen interferenssiin (LIGO on tarkoituksellisesti suunniteltu niin, että näin tapahtuu, jos gravitaatioaaltoja ei kulje). Mutta jos lasersäteet eivät jostain syystä kulje samoja etäisyyksiä, niiden valoaallot eivät enää ole synkronoituina, kun ne yhdistyvät, mikä tarkoittaa, että valodetektoriin ei pääse lainkaan valoa, vähän valoa tai yhtä kirkas valo kuin alkuperäinen lasersäde. Ja jos varret muuttavat pituuttaan ajan myötä, näkyy välkettä, kun säteet kokevat erilaisia interferenssejä riippuen siitä, miten ne kohtaavat tiettynä hetkenä.

Miten gravitaatioaallot vaikuttavat LIGOn interferometriin?

Gravitaatioaallot aiheuttavat sen, että avaruus itsessään venyy yhteen suuntaan ja samaan aikaan puristuu kohtisuoraan siihen nähden. LIGOssa tämä aiheuttaa sen, että interferometrin toinen varsi pitenee ja toinen lyhenee, sitten päinvastoin, edestakaisin niin kauan kuin aalto kulkee. Tekninen termi tälle liikkeelle on ”differentiaalinen varsi”-liike tai differentiaalinen siirtymä, koska varret muuttavat samanaikaisesti pituuttaan vastakkaisilla tavoilla eli differentiaalisesti.

Kuten edellä on kuvattu, kun varsien pituudet muuttuvat, muuttuu myös kunkin lasersäteen kulkema matka. Lyhyemmässä varressa oleva säde palaa säteenjakajaan ennen pidemmässä varressa olevaa sädettä, minkä jälkeen tilanne vaihtuu, kun varret värähtelevät pidemmän ja lyhyemmän välillä. Eri aikaan saapuvat valoaallot eivät enää kohtaa nätisti, kun ne yhdistyvät uudelleen säteenjakajassa. Sen sijaan ne siirtyvät kohdakkain tai ”vaiheeseen”, kun ne yhdistyvät aallon aiheuttaessa valovarsien pituuksien heilahtelua. Yksinkertaisesti sanottuna tämä johtaa interferometristä lähtevän valon välkkymiseen. Tätä prosessia havainnollistetaan oikealla olevassa pätkässä Einsteinin sanansaattajista .

Vaikka periaatteessa ajatus vaikuttaa lähes yksinkertaiselta, käytännössä tuon välkynnän havaitseminen ei ole. Gravitaatioaallon aiheuttama muutos käsivarren pituudessa voi olla niinkin pieni kuin 1/10 000 protonin leveys (eli 10-19 m)! Lisäksi gravitaatioaallon värähtelyn löytäminen kaikkien muiden LIGOn havaitsemien värähtelyjen joukosta (jotka johtuvat kaikesta, mikä voi ravistella peilejä, kuten maanjäristyksistä tai läheisten teiden liikenteestä) on toinen juttu. LIGO Technology kuvaa yksityiskohtaisesti, miten LIGO suodattaa pois suuren osan tuosta ”kohinasta” havaitakseen gravitaatioaallon aiheuttaman valon häikäisyn.