Yeni Ayna Kaplamaları, LIGO’nun Bir Sonraki Çalışmasında İnceleyebileceği Alan Hacmini Artıracak
LIGO’nun 2015 yılında, bir çift çarpışan kara deliğin ürettiği yerçekimi dalgalarını çığır açan bir şekilde saptamasından bu yana, gözlemevi, Avrupalı ortağı Virgo tesisi ile birlikte, uzay ve zamanda dalgalar gönderen düzinelerce benzer kozmik gürleme tespit etti.
[caption id="attachment_134290" align="aligncenter" width="525"]
Araştırmacılar, gerçek aynalardan daha küçük olan ve bu nedenle kullanımı daha kolay olan cam disklere yerleştirerek LIGO aynaları için kaplamaları test ediyor. Bu test disklerinden birinin saklama kabından çıkarıldığı burada gösterilmektedir. Görsel kaynak: Caltech[/caption]
Gelecekte, biri Hanford, Washington ve diğeri Livingston, Louisiana’da bulunan Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen LIGO gözlemevlerinde giderek daha fazla yükseltme yapıldıkça, bu tesislerin aşırı kozmik olayları giderek artan sayıda tespit etmesi bekleniyor.
Bu gözlemler, kara deliklerin nasıl oluştuğu ve evrenimizin bileşenlerinin nasıl üretildiği gibi evrenimizle ilgili temel gizemlerin çözülmesine yardımcı olacaktır. Gözlemevlerinin hassasiyetini artırmada önemli bir faktör, aletlerin kalbinde yer alan cam aynaların üzerindeki kaplamalardır.
[caption id="attachment_134291" align="aligncenter" width="524"]
Vakum odası pencerelerinden birinden ölçüm sisteminin bir görünümü. Kırmızı noktalar, prob lazer ışını tarafından üretilir. Görsel kaynak: Caltech[/caption]
Her 40 kiloluk ayna (iki LIGO gözlemevindeki her dedektörde dört tane vardır), camı esasen aynaya dönüştüren yansıtıcı malzemelerle kaplanmıştır. Aynalar, geçen yerçekimi dalgalarına duyarlı lazer ışınlarını yansıtır. Genel olarak, aynalar ne kadar yansıtıcı olursa, cihaz o kadar hassas olur, ancak burada dikkat edilmesi gereken önemli bir husus var:
Aynaları yansıtıcı yapan kaplamalar, cihazda arka plan ilgili yerçekimi dalgası sinyallerini maskeleyen gürültüye de yol açabilirler.
[caption id="attachment_134292" align="aligncenter" width="655"]
Vakum odası, hava dışarı pompalanmadan hemen önce yakından gösterilmektedir. Diskin titreşimlerini gözlemlemeye ve kaplama malzemesindeki enerji yayılımını ölçmeye başlamadan önce oda, Dünya atmosferinin milyarda birinden daha düşük bir basınca ulaşmalıdır. Görsel kaynak:Caltech[/caption]
Şimdi, LIGO ekibi tarafından yapılan yeni bir çalışma, titanyum oksit ve germanyum oksitten yapılmış yeni bir ayna kaplama tipini tanımlıyor ve LIGO’nun aynalarındaki arka
plan gürültüsünü nasıl iki kat azaltabileceğini, böylece LIGO’nun inceleyebileceği alan hacmini toplamda nasıl sekiz kat artırabileceğini özetliyor.
Caltech’te LIGO kıdemli araştırma bilimcisi ve Physical Review Letters’deki makalenin
baş yazarı Gabriele Vajente, “Bugün mümkün olanın sınırında bir malzeme bulmak istedik” dedi ve ekledi “Evrenin astronomik olarak büyük ölçeğini inceleme yeteneğimiz, bu çok küçük mikroskobik uzayda olanlarla sınırlıdır.”
Caltech’teki LIGO Laboratuvarı yönetici direktörü David Reitze, “Bu yeni kaplamalarla, yerçekimi dalgalarının tespit oranını haftada bir defadan günde bir defaya veya daha fazlasına çıkarmayı umuyoruz” dedi.
Telekomünikasyon ve yarı iletkenler alanlarında gelecekte uygulamaları olabilecek araştırma, Caltech ile Colorado Eyalet Üniversitesi, Montreal Üniversitesi, ve kaplamaların
karakterizasyonunda SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki senkrotronu kullanılan Stanford Üniversitesi arasındaki bir işbirliğiydi.
[caption id="attachment_134293" align="aligncenter" width="668"]
Ölçüm vakum odasının içinin bir görünümü: aynı anda farklı malzemelerle dört numune ölçülebilir. Görsel kaynak: Caltech[/caption]
LIGO, interferometre adı verilen dedektörleri kullanarak uzay-zamandaki dalgalanmaları tespit eder. Bu kurulumda, güçlü bir lazer ışını ikiye bölünür: Her bir ışın, L şeklinde büyük bir vakum muhafazasının bir kolundan 4 kilometre uzaktaki aynalara doğru ilerler.
Aynalar, lazer ışınlarını çıktıkları kaynağa geri yansıtır. Yerçekimi dalgaları ise, geçtiklerinde,
boşluğu neredeyse algılanamaz ancak yine de tespit edilebilir miktarlarda (bir protonun genişliğinden çok daha az) gerecek ve sıkıştıracaktır.
Pertürbasyonlar (yörünge veya yoldaki küçük sapmalar), iki lazer ışınının kaynağa geri gelme zamanlamasını değiştirmektedir. Aynaların kendilerindeki herhangi bir sallanma - aynaların kaplamalarındaki atomların mikroskobik termal titreşimleri bile - lazer ışınlarının varış zamanlamasını etkileyebilir ve yerçekimi dalgası sinyallerini izole etmeyi zorlaştırabilir.
Vajente, “Işık iki farklı malzeme arasında her geçtiğinde, bu ışığın bir kısmı yansıtılır” diyor. “Bu, pencerelerinizde olanla aynı; camdaki zayıf yansımanızı görebilirsiniz. Farklı malzemelerden birden fazla katman ekleyerek, her bir yansımayı güçlendirebilir ve aynalarımızı yüzde 99.999’a kadar yansıtıcı hale getirebiliriz.
Bu çalışmayla ilgili önemli olan, malzemeleri daha iyi test etmek için yeni bir yol geliştirmemizdir” dedi. “Yeni bir malzemenin özelliklerini, önceden neredeyse bir haftada test edebilirken, artık aynı testi tamamen otomatik olarak yaklaşık sekiz saatte yapabiliyoruz.
Bu, birçok farklı malzemeyi ve birçok kombinasyonu deneyerek periyodik tabloyu keşfetmemizi sağladı. Denediğimiz bazı malzemeler işe yaramadı, ancak bu bize hangi özelliklerin önemli olabileceği konusunda fikir verdi.”
Sonunda bilim adamları, titanyum oksit ve germanyum oksit kombinasyonundan yapılan bir kaplama malzemesinin en az enerjiyi (ısıl titreşimleri azaltma eşdeğeri) dağıttığını keşfettiler.
Colorado Eyalet Üniversitesi’nde profesör ve LIGO Bilimsel İşbirliği üyesi Carmen Menoni, “Üretim sürecini optik kalite ve ayna kaplamalarının azaltılmış termal gürültüsündeki katı talepleri karşılayacak şekilde uyarladık” dedi.
Menoni ve Colorado Eyaletindeki meslektaşları, aynaları kaplamak için iyon ışını püskürtme adı verilen bir yöntem kullandılar. Bu işlemde, titanyum ve germanyum atomları bir kaynaktan soyulup çıkarılır, oksijenle birleştirilir ve daha sonra ince atom katmanları oluşturacak şekilde cam üzerine biriktirilir.
Yeni kaplama, LIGO’nun Advanced LIGO Plus programının bir parçası olarak on yılın ortasında başlayacak olan beşinci gözlem çalışması için kullanılabilir.
Bu arada, LIGO’nun Gelişmiş LIGO kampanyasındaki sonuncusu olan dördüncü gözlem çalışmasının 2022 yazında başlaması bekleniyor. Reitze, “Bu, LIGO’nun son teknoloji
optik ve malzeme bilimi araştırma ve geliştirmeye nasıl büyük ölçüde güvendiğinin harika bir örneğidir” diye belirtti.
“Yerçekimi Dalgası İnterferometrelerinde Azaltılmış Termal Gürültü için Düşük Mekanik Kayıp TiO2:GeO2 Kaplamaları” Low Mechanical Loss TiO2:GeO2 Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers) başlıklı çalışma, NSF ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından finanse edilmiştir.
Kaynak
