Interferometrar är undersökningsverktyg som används inom många vetenskapliga och tekniska områden. De kallas interferometrar eftersom de fungerar genom att sammanfoga två eller flera ljuskällor för att skapa ett interferensmönster som kan mätas och analyseras; därav ”Interfere-o-o-meter”, eller interferometer. De interferensmönster som skapas av interferometrar innehåller information om det objekt eller fenomen som studeras. De används ofta för att göra mycket små mätningar som inte kan göras på annat sätt. Det är därför de är så kraftfulla för att upptäcka gravitationsvågor – LIGO:s interferometrar är utformade för att mäta ett avstånd som är 1/10 000 gånger bredare än en proton!

Interferometrar som används i stor utsträckning idag uppfanns faktiskt i slutet av 1800-talet av Albert Michelson. Michelsons interferometer användes 1887 i ”Michelson-Morley-experimentet”, som syftade till att bevisa eller motbevisa existensen av ”lysande eter” – en substans som man på den tiden trodde genomsyrade universum. Alla moderna interferometrar har utvecklats från denna första interferometer eftersom den visade hur ljusets egenskaper kan användas för att göra de allra minsta mätningar. Uppfinningen av lasern har gjort det möjligt för interferometrar att göra de minsta tänkbara mätningar, som de som krävs av LIGO.

Märkligt nog skiljer sig den grundläggande strukturen för LIGO:s interferometrar föga från den interferometer som Michelson konstruerade för mer än 125 år sedan, men med vissa tillagda funktioner, som beskrivs i LIGO:s interferometer.

Hur ser en interferometer ut?

På grund av deras breda användningsområde finns interferometrar i många olika former och storlekar. De används för att mäta allt från de minsta variationerna på ytan av en mikroskopisk organism till strukturen hos enorma gas- och dammområden i det avlägsna universum, och nu för att upptäcka gravitationsvågor. Trots sina olika utformningar och de olika sätt på vilka de används har alla interferometrar en sak gemensamt: de överlagrar ljusstrålar för att skapa ett interferensmönster. Den grundläggande konfigurationen av en Michelson-laserinterferometer visas till höger. Den består av en laser, en stråldelare, en serie speglar och en fotodetektor (den svarta punkten) som registrerar interferensmönstret.

Vad är ett interferensmönster?

För att bättre förstå hur interferometrar fungerar hjälper det att förstå mer om ”interferens”. Alla som har kastat stenar i en platt, glasig damm eller bassäng och tittat på vad som hände vet vad interferens är. När stenarna träffar vattnet genererar de koncentriska vågor som rör sig bort från källan. Och där två eller flera av dessa koncentriska vågor skär varandra interfererar de med varandra. Denna interferens kan resultera i en större våg, en mindre våg eller ingen våg alls. Det synliga mönster som uppstår där vågorna korsar varandra är helt enkelt ett ”interferensmönster”.

Principerna för interferens är enkla att förstå. Två eller flera vågor interagerar med varandra. Du adderar höjderna av de separata vågorna tillsammans när de interagerar, och den resulterande vågen är ”interferensmönstret”. Figuren till höger visar två specifika typer av interferens: total konstruktiv interferens och total destruktiv interferens. Total konstruktiv interferens uppstår när topparna och dalarna i två (eller flera) vågor möts perfekt. När de adderas till varandra ”konstruerar” man en större våg, vars storlek är lika med summan av höjderna (och djupen!) av de två vågorna i varje punkt där de fysiskt interagerar. Total destruktiv interferens uppstår när topparna i en eller flera vågor möts och matchar dalarna i en identisk våg. Om man adderar dessa tillsammans resulterar det i att de upphäver varandra (dvs. de ”förstör” varandra).

I naturen kommer topparna och dalarna i en våg inte alltid att perfekt möta topparna eller dalarna i en annan våg så som illustrationen visar. Bekvämt nog är höjden på den våg som uppstår till följd av interferensen alltid lika med summan av höjderna på de sammansmältande vågorna längs varje punkt där de fysiskt interagerar, oavsett hur synkroniserade de är när de smälter samman. Så när vågorna möts lite osynkroniserat kan partiell konstruktiv eller destruktiv interferens uppstå. Animationen nedan illustrerar denna effekt. Den svarta vågen visar resultatet av att lägga ihop topparna och dalarna för de röda och blå vågorna när de rör sig genom (interfererar med) varandra. Om man adderar höjden/djupet av varje våg vid varje punkt när de rör sig genom varandra blir resultatet den svarta vågen. Observera att den upplever ett helt intervall av höjder från dubbelt så hög/djup (total konstruktiv interferens) till platt (total destruktiv interferens). I detta exempel är den svarta vågen interferensmönstret (det mönster som är resultatet av den fortsatta interferensen mellan den röda och blå vågen). Observera hur den fortsätter att förändras så länge de röda och blå vågorna fortsätter att interagera.

Den föränderliga svarta vågen är det interferensmönster som skapas av de röda och blå vågorna när de passerar genom/interagerar med varandra.

Paralleller med ljus

Det råkar vara så att ljusvågor beter sig precis som vattenvågor. När två laserljusstrålar smälter samman genererar de också ett interferensmönster som beror på hur väl utriktade ljusvågorna är när de smälter samman. Precis som i vatten uppstår total destruktiv interferens när topparna i den ena strålens vågor perfekt möter dalarna i den andra strålen. I vatten är resultatet ingen våg. I ljus är resultatet inget ljus! Omvänt, när topparna i en stråle perfekt möter topparna i en annan stråle uppstår total konstruktiv interferens. I vatten är höjden på den resulterande vågen lika med summan av höjderna på de två vågorna; i ljus är resultatet ett ljus som är lika med summan av intensiteten på de två separata ljusstrålarna. Om vi fortsätter denna analogi till slutet kan vågorna i vatten, när de passerar genom varandra, uppleva ett helt spektrum av interferens från partiell till total konstruktiv och destruktiv interferens (större våg, mindre våg, ingen våg). I ljuset är resultatet ett fullständigt intervall av ljusstyrka, från mörker till summan av intensiteterna hos de samverkande strålarna.

Paralleller mellan konstruktiv och destruktiv interferens i vatten och med ljus. (Anpassad från www.explainthatstuff.com)

För att återgå till LIGO:s interferometrar är det som dikterar hur väljusterade strålarna är när de smälter samman avståndet de färdas innan de smälter samman. Om strålarna reser exakt samma avstånd kommer deras ljusvågor att vara perfekt inriktade så att de resulterar i total destruktiv interferens (LIGO är medvetet utformad för att detta ska inträffa om inga gravitationsvågor passerar). Men om lasrarna av någon anledning inte reser samma avstånd är deras ljusvågor inte längre synkroniserade när de smälter samman, vilket innebär att inget ljus, lite ljus eller ett ljus som är lika starkt som den ursprungliga laserstrålen når fotodetektorn. Och om armarna ändrar längd över tiden uppstår ett flimmer eftersom strålarna upplever en rad olika interferenser beroende på hur de möts i varje givet ögonblick.

Hur påverkar gravitationsvågor LIGO:s interferometer?

Gravitationsvågor gör att själva rymden sträcker sig i en riktning och samtidigt komprimeras i en vinkelrät riktning. I LIGO gör detta att den ena armen av interferometern blir längre medan den andra blir kortare, och sedan vice versa, fram och tillbaka så länge vågen passerar. Den tekniska termen för denna rörelse är ”Differential Arm”-rörelse, eller differentiell förskjutning, eftersom armarna samtidigt ändrar längd på motsatta sätt, eller differentiellt.

Som beskrivits ovan, när armarnas längder förändras, förändras också avståndet som varje laserstråle tillryggalägger. En stråle i en kortare arm kommer att återvända till stråldelaren före strålen i en längre arm, sedan byter situationen när armarna pendlar mellan att vara längre och kortare. Då ljusvågorna anländer vid olika tidpunkter möts de inte längre på ett bra sätt när de återkombineras vid stråldelaren. Istället förflyttas de in och ut ur linje eller ”fas” när de smälter samman medan vågen får armlängderna att oscillera. Enkelt uttryckt resulterar detta i ett flimmer av ljus från interferometern. Denna process illustreras i klippet till höger från Einsteins budbärare.

I princip verkar idén nästan enkel, men i praktiken är det inte så enkelt att upptäcka detta flimmer. Den förändring av armlängden som orsakas av en gravitationsvåg kan vara så liten som 1/10 000 av bredden på en proton (det är 10-19 m)! Att hitta ett flimmer av gravitationsvågor bland alla andra flimmer som LIGO upplever (orsakade av allt som kan skaka speglarna, t.ex. jordbävningar eller trafik på närliggande vägar) är dessutom en annan historia. LIGO Technology beskriver i detalj hur LIGO filtrerar bort mycket av detta ”brus” för att kunna upptäcka det avslöjande ”flimmer” av ljus som orsakas av en gravitationsvåg.