قد يبدو إصلاح مشكلة داخل أحد المراصد العلمية الأكثر تطورًا في العالم بمثابة نوع من التحدي الذي يتطلب ترقية بملايين الدولارات أو تكنولوجيا ثورية جديدة.
ولكن بالنسبة للعلماء الذين يعملون في مرصد موجات الجاذبية بالليزر (ليغو)، الذي يستمع إلى التموجات في الزمكان الناتجة عن الاصطدامات الكونية مثل الاندماج الثقوب السوداء، تبين أن الحل لتحدي هندسي بسيط ولكن مستمر هو بسيط مثل الكاميرا الجاهزة.
ومن خلال مزاوجة كاميرات التصوير الحراري المتاحة تجاريًا مع نماذج الكمبيوتر، طوَّر فريق بقيادة جوناثان ريتشاردسون من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد، تقنية تصحح التشوهات الصغيرة الناجمة عن الحرارة في مرايا المرصد، وهو عيب بعيد المنال، يقول العلماء إنه يحد حاليًا من المدى الذي يمكن للمنشأة أن تنظر إليه في الفضاء السحيق.
وقال ريتشاردسون في مقال: “لا يتطلب الأمر أي تطوير تكنولوجي جديد، وهو أمر لم يُسمع به تقريبًا لحل مشكلة أجهزة LIGO”. إفادة.
بمجرد دمجه في ترقية LIGO القادمة، يقدر ريتشاردسون وفريقه أن الإصلاح سيوسع نطاق المرصد بحوالي 33 مليون سنة ضوئية.
قد يبدو هذا المكسب وكأنه قطرة في محيط مقابل النطاق الواسع الذي لا يمكن تصوره للكون، ولكن نظرًا لأن الفضاء يتوسع في ثلاثة أبعاد، فإن دفع مدى وصول الكاشف ولو قليلاً يفتح نافذة أكبر بشكل كبير من الفضاء. إن القدرة على النظر إلى أبعد من الكون ستسمح لعلماء الفلك “بسماع” العديد من التموجات الكونية، مما يزيد بدوره من احتمال اكتشاف أعنف الاصطدامات في الكون والتي تقع خارج نطاق متناول LIGO اليوم.
يكتشف مرصد LIGO هذه التموجات الكونية، المعروفة باسم موجات الجاذبيةباستخدام منشآت مزدوجة على شكل حرف L في الولايات المتحدة – في ولايتي واشنطن ولويزيانا. داخل كل كاشف، يطلق شعاع ليزر نفقين بطول 2.5 ميل (4 كيلومترات)، ويرتد عن المرايا الأصلية في كل طرف. عندما تمر موجة الجاذبية أرض، فهو يمتد بمهارة نفقًا واحدًا ويضغط على الآخر. يغير هذا التحول المجهري أشعة الليزر بشكل طفيف جدًا، مما ينتج وميضًا صغيرًا من الضوء ينبه العلماء إلى حدث كوني بعيد.
ولأن هذه الإشارات الكونية صغيرة بشكل لا يمكن تصوره، فإن الحفاظ على كل فوتون أمر بالغ الأهمية. ولتحقيق ذلك، يعتمد مرصد LIGO على المرايا مصقول ليعكس 99.9999% من ضوء الليزر الذي يضربها، مما يجعلها من بين أنقى المكونات البصرية التي تم تصنيعها على الإطلاق.
ومع ذلك، حتى هذه المرايا شبه المثالية كان بها عيب واحد لا مفر منه. لا تزال المرايا تمتص جزءًا صغيرًا من ضوء الليزر المكثف. تتحول هذه الطاقة إلى حرارة، مما يؤدي إلى تشويه سطح المرآة ببضعة نانومترات فقط، وهو ما يكفي لتشويه شعاع الليزر وتقليل الحساسية العامة للمرصد.
لقد عرف الفيزيائيون بالفعل أن بإمكانهم مواجهة هذه التشوهات من خلال تطبيق الحرارة المستهدفة على الجزء الخلفي من المرايا. كان الجزء الصعب هو قياس التشوهات بدقة كافية بحيث يمكن تطبيق الحرارة التصحيحية بدقة تامة.
تستخدم التقنية الجديدة الصور الحرارية بالأشعة تحت الحمراء ونماذج الكمبيوتر الموجودة لإعادة بناء خريطة التشوهات عبر سطح المرآة.
وقال ريتشاردسون في البيان: “يمكنك التفكير في الأمر مثل التقاط صورة بالأشعة تحت الحمراء لمحرك السيارة”. “يمكن للمهندس أن ينظر إلى نمط درجة الحرارة في الخارج ويستنتج ما يحدث داخل المحرك. ونحن نفعل نفس الشيء مع مرايا LIGO.”
وهذه التقنية ليست مجرد حل لـ LIGO. ومن المتوقع أيضًا أن يصبح جزءًا من التصميم الأساسي لـ المستكشف الكوني، وهو مرصد أمريكي مقترح لموجات الجاذبية من الجيل التالي، ومُستهدف في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي.
بأذرع يبلغ طولها 25 ميلًا (40 كيلومترًا) – أكبر بعشر مرات من LIGO – تم تصميم Cosmic Explorer بالفعل لاكتشاف أحداث موجات الجاذبية بعيدًا عن متناول المراصد الحالية. هذه التقنية الجديدة لن تؤدي إلا إلى تعزيز وصولها النهائي.
وقال ريتشاردسون في البيان: “إن الهدف من الجيل القادم من أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية هو تحقيق حوالي 10 أضعاف حساسية أدوات اليوم”. “أحد العوائق الرئيسية أمام تحقيق ذلك هو تقليل الضوضاء الميكانيكية الكمومية الأساسية التي تحد من دقة القياسات.”
تم وصف هذه التقنية في أ ورق نُشرت في 16 يوليو في مجلة الجاذبية الكلاسيكية والكمية.
