Interferometry są narzędziami badawczymi używanymi w wielu dziedzinach nauki i inżynierii. Nazywa się je interferometrami, ponieważ działają poprzez łączenie dwóch lub więcej źródeł światła w celu utworzenia wzoru interferencyjnego, który może być mierzony i analizowany; stąd „Interfere-o-meter” lub interferometr. Wzory interferencyjne generowane przez interferometry zawierają informacje o badanym obiekcie lub zjawisku. Są one często używane do wykonywania bardzo małych pomiarów, które nie są osiągalne w żaden inny sposób. Dlatego są one tak potężne w wykrywaniu fal grawitacyjnych – interferometry LIGO są zaprojektowane do pomiaru odległości 1/10 000 szerokości protonu!

Powszechnie używane dzisiaj interferometry zostały wynalezione pod koniec XIX wieku przez Alberta Michelsona. Interferometr Michelsona został użyty w 1887 r. w „Eksperymencie Michelsona-Morleya”, którego celem było udowodnienie lub obalenie istnienia „Świetlistego Eteru” – substancji, o której wówczas sądzono, że przenika Wszechświat. Wszystkie współczesne interferometry rozwinęły się z tego pierwszego eksperymentu, ponieważ pokazał on, jak właściwości światła mogą być wykorzystane do dokonywania najdrobniejszych pomiarów. Wynalazek laserów umożliwił interferometrom wykonywanie najmniejszych możliwych pomiarów, takich jak te wymagane przez LIGO.

Co ciekawe, podstawowa struktura interferometrów LIGO niewiele różni się od interferometru, który Michelson zaprojektował ponad 125 lat temu, ale z pewnymi dodatkowymi cechami, opisanymi w LIGO’s Interferometer.

Jak wygląda interferometr?

Z powodu ich szerokiego zastosowania, interferometry występują w różnych kształtach i rozmiarach. Są używane do pomiaru wszystkiego, od najmniejszych zmian na powierzchni mikroskopijnego organizmu, do struktury ogromnych połaci gazu i pyłu w odległym Wszechświecie, a teraz do wykrywania fal grawitacyjnych. Pomimo różnych konstrukcji i sposobów użycia, wszystkie interferometry mają jedną wspólną cechę: nakładają na siebie wiązki światła w celu wygenerowania wzoru interferencyjnego. Podstawowa konfiguracja laserowego interferometru Michelsona pokazana jest po prawej stronie. Składa się on z lasera, rozdzielacza wiązki, serii luster i fotodetektora (czarna kropka), który rejestruje wzór interferencyjny.

Czym jest wzór interferencyjny?

Aby lepiej zrozumieć, jak działają interferometry, warto dowiedzieć się więcej o „interferencji”. Każdy, kto wrzucał kamienie do płaskiego, szklistego stawu lub basenu i obserwował, co się dzieje, wie o interferencji. Kiedy kamienie uderzają w wodę, generują koncentryczne fale, które oddalają się od źródła. A tam, gdzie dwie lub więcej z tych koncentrycznych fal przecinają się, interferują ze sobą. W wyniku tej interferencji może powstać większa fala, mniejsza fala lub w ogóle brak fali. Widoczny wzór występujący w miejscu przecięcia się fal to po prostu wzór „interferencyjny”.

Zasady interferencji są proste do zrozumienia. Dwie lub więcej fal oddziałuje na siebie. Po dodaniu do siebie wysokości poszczególnych fal w trakcie ich oddziaływania, otrzymujemy wzór „interferencyjny”. Rysunek po prawej stronie pokazuje dwa specyficzne rodzaje interferencji: całkowitą interferencję konstruktywną i całkowitą interferencję destruktywną. Całkowita interferencja konstruktywna występuje wtedy, gdy szczyty i koryta dwóch (lub więcej) fal idealnie się spotykają. Kiedy dodamy je do siebie, „konstruujemy” większą falę, której rozmiar jest równy sumie wysokości (i głębokości!) obu fal w każdym punkcie, w którym fizycznie oddziałują. Całkowita interferencja destrukcyjna występuje wtedy, gdy szczyty jednej lub więcej fal spotykają się i pokrywają z rynnami identycznej fali. Dodanie ich razem powoduje, że znoszą się one wzajemnie (tj. „niszczą” się).

W naturze, szczyty i koryta jednej fali nie zawsze będą idealnie spotykać się ze szczytami i korytami innej fali, jak pokazano na ilustracji. Dogodnie, niezależnie od tego, jak bardzo są one zsynchronizowane, gdy się łączą, wysokość fali będącej wynikiem interferencji zawsze równa się sumie wysokości łączących się fal wzdłuż każdego punktu, w którym fizycznie oddziałują. Tak więc, gdy fale spotykają się nieco niezsynchronizowane, może wystąpić częściowa interferencja konstruktywna lub destruktywna. Poniższa animacja ilustruje ten efekt. Czarna fala pokazuje wynik zsumowania szczytów i minimów fal czerwonej i niebieskiej, które przechodzą przez siebie (interferują ze sobą). Sumując wysokości/głębokości każdej fali w każdym punkcie, gdy poruszają się przez siebie, otrzymujemy czarną falę. Zauważ, że doświadcza ona pełnego zakresu wysokości od dwukrotnie wyższej/głębszej (całkowita interferencja konstruktywna) do płaskiej (całkowita interferencja destruktywna). W tym przykładzie, czarna fala jest wzorem interferencyjnym (wzór, który wynika z ciągłej interferencji pomiędzy czerwoną i niebieską falą). Zauważ, jak to się zmienia tak długo, jak fale czerwona i niebieska nadal oddziaływać.

Zmienna czarna fala jest wzór interferencji utworzony przez czerwone i niebieskie fale, jak przechodzą przez / oddziałują ze sobą.

Paralele ze światłem

Tak się składa, że fale świetlne zachowują się tak samo jak fale wodne. Kiedy dwie wiązki światła laserowego łączą się, one również generują wzór interferencyjny, który zależy od tego, jak dobrze wyrównane są fale świetlne, kiedy się łączą. Podobnie jak w przypadku wody, gdy szczyty fal jednej wiązki idealnie stykają się z korytami drugiej, dochodzi do całkowitej interferencji destrukcyjnej. W wodzie, rezultatem jest brak fali. W świetle, rezultatem jest brak światła! I odwrotnie, kiedy szczyty fal jednej wiązki idealnie spotykają się ze szczytami fal drugiej wiązki, zachodzi całkowita interferencja konstruktywna. Ponownie, w wodzie wysokość powstałej fali jest równa sumie wysokości dwóch fal; w świetle, rezultatem jest światło równe sumie natężeń dwóch oddzielnych wiązek światła. Przenosząc tę analogię do końca, w wodzie, gdy fale przechodzą jedna przez drugą, mogą doświadczać pełnego zakresu interferencji od częściowej do całkowitej konstruktywnej i destruktywnej (większa fala, mniejsza fala, brak fali). W świetle, rezultatem jest pełen zakres jasności, od ciemności do sumy natężeń oddziałujących wiązek.

Paralele pomiędzy konstruktywną i destruktywną interferencją w wodzie i w świetle. (Zaadaptowane z www.explainthatstuff.com)

Powracając do interferometrów LIGO, to co dyktuje jak dobrze zestrojone są wiązki kiedy się łączą, to odległość jaką pokonują przed połączeniem. Jeśli wiązki przebywają dokładnie taką samą odległość, ich fale świetlne będą idealnie wyrównane tak, że spowodują całkowitą destrukcyjną interferencję (LIGO jest celowo zaprojektowane, aby tak się stało, jeśli nie przechodzą żadne fale grawitacyjne). Ale jeśli z jakiegoś powodu lasery nie poruszają się na tych samych dystansach, ich fale świetlne nie są już zsynchronizowane podczas łączenia się, co oznacza, że do fotodetektora nie dociera żadne światło, niewielkie światło lub światło tak jasne jak oryginalna wiązka laserowa. A jeśli ramiona zmieniają długość w czasie, pojawia się migotanie, ponieważ wiązki doświadczają zakresu interferencji w zależności od tego, jak spotykają się w danym momencie.

Jak fale grawitacyjne wpływają na interferometr LIGO?

Fale grawitacyjne powodują, że przestrzeń sama w sobie rozciąga się w jednym kierunku i jednocześnie ściska w kierunku prostopadłym. W LIGO powoduje to, że jedno ramię interferometru wydłuża się, podczas gdy drugie skraca się, a następnie odwrotnie, tam i z powrotem, tak długo jak fala przechodzi. Terminem technicznym dla tego ruchu jest ruch „ramienia różnicowego” lub przesunięcie różnicowe, ponieważ ramiona jednocześnie zmieniają długość w przeciwny sposób lub różnie.

Jak opisano powyżej, w miarę jak zmieniają się długości ramion, zmienia się również odległość przebyta przez każdą wiązkę laserową. Wiązka w krótszym ramieniu powróci do rozdzielacza wiązki przed wiązką w dłuższym ramieniu, następnie sytuacja zmienia się, gdy ramiona oscylują pomiędzy byciem dłuższymi i krótszymi. Przybywając w różnym czasie, fale światła nie spotykają się już ładnie podczas rekombinacji w rozdzielaczu wiązki. Zamiast tego, zmieniają się one w i z wyrównania lub „fazy”, ponieważ łączą się, podczas gdy fala powoduje oscylacje długości ramion. Mówiąc prościej, skutkuje to migotaniem światła wychodzącego z interferometru. Ten proces jest zilustrowany w klipie po prawej stronie z Einstein’s Messengers .

While w zasadzie pomysł wydaje się prawie proste, w praktyce, wykrywanie, że migotanie nie jest. Zmiana długości ramienia spowodowana przez falę grawitacyjną może być tak mała, jak 1/10 000 szerokości protonu (to 10-19 m)! Co więcej, znalezienie migotania fali grawitacyjnej wśród wszystkich innych migotań, których doświadcza LIGO (spowodowanych przez cokolwiek, co może wstrząsnąć lustrami, jak trzęsienia ziemi czy ruch na pobliskich drogach) to już inna historia. Technologia LIGO opisuje szczegółowo, jak LIGO odfiltrowuje wiele z tego „szumu”, aby wykryć wyraźne „migotanie” światła spowodowane falą grawitacyjną.

.