Özelleştirilmiş Kaplamalar, Yerçekimi Dalgalarını Tespit Ediyor

2-μm kalınlığındaki bir film, Einstein’ın yüzyıllık tahminini doğrulamak için gerekli ultra-yansıtmalı aynaların üretilmesine yardımcı oldu.

Burada muayene edilen muazzam aynalar, LIGO dedektörlerinin yerçekimi dalgalarını bulmalarını sağladı.

Birkaç kat molekülün son birkaç yılın en önemli fizik gözlemlerinden birini yapmasına yardımcı olduğunu söylemek abartılı olmaz.

Lazer Interferometre Gravitational-Wave Observatory veya LIGO’yu oluşturan son derece uzmanlaşmış aynaları, metal oksitlerin kalınlığı 2 μm’ye kadar neredeyse ekler. Kaplamalar, LIGO’nun aynalarını son derece yansıtarak, muazzam çifte optik aletlerin yerçekimi dalgalarını algılamasını sağlar.

Yerçekimi dalgaları, evreni dolaştıkça milyarlarca ışık yılı boyunca yayılmış “dalgalanmalar” olarak tanımlanan meraklı varlıklardır. Albert Einstein 1916’da varoluşunu genel görelilik teorisinde öngördü. Fakat bilim adamları bu tahminin deneysel olarak teyit edilene kadar bir yüzyıl aldı. Geçen yıl araştırmacılar, bir tanesi La. Livingston’da bulunan ultra-duyarlı LIGO dedektörlerinin, Washford Hanford’taki diğeri, bu zor dalgaları tespit ettiğini bildirdi.

Teorisinde Einstein, yerçekimini çarpık uzay süresi açısından tanımladı. Bazı fizikçiler, bir tramplen ağır bir bowling topunun ağırlığına büzülme şeklindeki eğriltmeyi tasvir etmek istiyorlar. Birisi sivri trambolin üzerinden ikinci ve daha hafif bir top oynarsa, bu top, gök cisimcikleri üzerindeki yerçekiminin etkilerine benzer şekilde, yörüngede dönecek ve daha ağır olana spiral gelecekti. 100 yıllık teori, süpernovalar ve karadelikler gibi devasa cisimlerin yer çekimi nedeniyle hızlandığı için büyük miktarda enerji yayacağını ve bazen Dünya üzerinden geçen evrene yayılmış yerçekimi dalgaları yaratacağını öngörüyor.

Bu dalgaları saptamak, olağanüstü bir deneysel zorluk olarak ortaya çıktı. LIGO’daki bilim adamları 2000’li yılların başında yerçekimi dalgaları aramaya başladılar. Yıllarca, enstrümanlarını izlediler, dalgaların söylenti ama ufak işaretlerini aradılar. Fakat hiçbir şey görmediler.

Bu nedenle, 2008’de başlayarak birkaç yıl boyunca California Institute of Technology, Massachusetts Institute of Technology’den 1000’den fazla bilim insanı ve diğer birçok araştırma merkezi LIGO’nun donanımını elden geçirdi. Bu gelişmeler, aynaları bu ince metal oksit katmanlarında kaplanan yeni gelişmiş parçalarla değiştirmeyi içeriyordu.

Yerçekimi dalgalarını tespit etmede 2-μm kalınlığındaki kaplamanın neden bu kadar önemli bir rol oynadığını anlamak için LIGO’nun aletlerinin görev aldığı ölçümü göz önünde bulundurun. Fourier Transform infrared (FTIR) spektrometrelerinde olduğu gibi, LIGO’nun dedektörleri, iki kirişi 90 ° aralıklarla yönlendirilmiş bir çift kol boyunca yönlendiren bir kiriş splitter üzerinden ışık gönderir. Ancak, santimetre boyutlu interferometreleri kullanan tezgah üstü FTIR’lerin aksine, LIGO’nun aletlerindeki kollar 4 km’lik bir kayıptır. Ve LIGO dedektörleri molekülleri sondalamaz. Bunun yerine, bir kolun diğerine göre aşırı derecede hassas bir anlık subatomik ölçekli değişiklikle ölçmek üzere tasarlanmışlardır.

Burada görülen LIGO interferometrenin 4 km uzunluğundaki kolları, Washston’ın La. Hanford’taki Livingston’un yeşil kırsal alanına uzanıyor ve ikinci, hemen hemen aynı bir enstrümana ev sahipliği yapıyor.

Lazer ışığı aynalar arasında kollar boyunca öne ve arkaya sıçrarken, LIGO, yerçekimi dalgalarını kolların uzunluklarındaki küçük dalgalanmalar olarak algılar.

Kolun uzunluklarında böyle küçük değişikliklere ne neden olur? Einstein’ın teorisine göre, yerçekimi dalgaları Yerkürenin içinden geçerken, uzay dalgalanmaları LIGO’nun kolları gibi nesnelerin uzunluğunu ustaca değiştirecektir.

İşte LIGO bu olayları nasıl algılıyor. 120 mm genişliğinde bir lazer ışığı ışını, 4 km’lik kolların her iki ucunda asılı duran bir çift ayna arasında ileri geri sallanır.

Zıplayan kirişlerin bir kısmı birleştirip bir fotodetektöre geçer. Yerçekimi dalgalarının yokluğunda, kirişler yıkıcı bir şekilde etkileşime girerek hiçbir sinyal üretmez. Kolların göreli uzunluklarındaki ufak bir değişiklik, prensipte saptanabilen sinyallere öncülük eden yapıcı girişimle sonuçlanır.

LIGO baş dedektörü bilim adamı Peter K. Fritschel, aslında bu sinyalleri ölçmek amacıyla çok küçük gürültü kaynaklarını ortadan kaldırmak için kahramanca çaba sarfetmesi gerektiğini söylüyor. Örneğin, sıçrayan lazer ışını aynaları çok hafif ısınabilir ve deforme edebilir ve küçük bir mesafeyi hareket ettirebilir. Daha ağır aynalar bu tür gürültüleri hafif olanlardan daha az üretir. Böylece revizyon sırasında LIGO ekibi orijinal 11 kg’lık aynaları daha geniş, daha kalın, 40 kg’lık silisli aynalarla değiştirdi. Ve çevresel titreşimleri ve sismik aktiviteyi ayna parmaklanmasını engelleyen ekipmanları geliştirdiler.

Ayrıca, aynaların, ışığın interferometre kollarına sıkışmasını önlemek için ve olağanüstü yansıtıcı kalmalarını sağlamak için mümkün olan en iyi kaplamaları araştırdılar. Bunu yapmak, kirişlerin yoğunluğunu korur ve böylece, yerçekimi dalga sinyallerini algılama olasılığını en üst düzeye çıkarır. Fritschel, “Kaplamalar kendi zorluklarını ortaya koyuyor ve ele alınması gereken çok sayıda engeli var” dedi. Örneğin, materyal emilimden kaynaklanan kayıpları ve oda sıcaklığı moleküler titreşimlerin kaplama-termal gürültüye bağlı olarak dağılımını en aza indirmelidir. Ve malzeme ince kaplamaları uygulayan teknolojilerle uyumlu olmalıdır.

Bir Fransız özel kaplama şirketi olan LMA ile çalışan ekip, toplamda 30 Si02 ve TiO2 katkılı Ta2O5 katmanını uygulamaya karar verdi. Bu iki malzeme, bu uygulama için iyi bir çift oluşturuyor, çünkü düşük absorpsiyona ek olarak, refraksiyon indeksinde kaplamanın yansıtma oranını artıran büyük bir fark sergilediği için Fritschel açıklıyor. TiO2 ile doping, refraksiyon indeksi farkını daha da artırır. LMA, filmleri aynalı yüzeylerde çok yumuşak kaplamalar üreten iyon demeti püskürtme yöntemiyle yerleştirdi. Çeşitli testler, LIGO’nun fizikçi ve LIGO optik çalışma grubunun eski başkanı olan Gregory M. Harry’ye göre, LIGO’nun revizyonunun yerçekimi dalga sinyallerini algılama duyarlılığını kabaca üç kat arttırdığını gösteriyor.

Böylece, Eylül 2015’te, geliştirilmiş araçlardan (Advanced LIGO olarak anılacaktır) birkaç gün sonra çevrimiçi geldi, ekip tam olarak ne beklediğini gördü. İlk başlarda kimse onun gerçek olduğuna inanmadı.

Harry, sinyali ilk gördüğünde bunun sadece bir başka kuru sürüş olduğunu düşündü; ekipman testi yapmak için veri akışına enjekte edilen sahte sonuçlar ve ekibin bu sinyalleri tanıma becerisi.

Caltech’in GariLynn Billingsley de aynı şeyi düşündü, “belki de bir aldatmacaydı” diyor. Billingsley, LIGO’nun optik bileşenlerinin bazılarının tasarımını, imalatını ve testini yöneten kıdemli bir optik mühendistir.

Ekip hızlı bir şekilde bu olasılıkları dışladı ve Harry heyecanla diyor ki, “yerçekimi dalgaları tespit ettiğimizden şüphe etmek için çok az alan vardı. Bunun gerçekten olduğuna inanamadım. ”

Ardından araştırmacılar, ABD’nin karşı taraflarındaki ikiz enstrümanlar tarafından neredeyse aynı anda tespit edilen sinyalleri incelediler. 1.3 milyar yıl önce iki kara delik olarak-yaklaşık 29-36 kez üretilen yerçekimi dalgalarının tespit edildiğine karar verdiler. Güneşin birleştiği kütle, tek bir kara delik oluşturuyordu.

Bu tespit feat’ı, ilk kez yerçekimi dalgalarının doğrudan gözlemlendiğini ve bir çift kara deliklerin birleşmesinin ilk gözlemini işaret etti.

LIGO istatistikçileri ekibin başka bir olayı tespit etmesi aylar sürebilir diye uyardı. Ancak bir sonraki olay sadece iki hafta sonra gerçekleşti. Harry, bu sinyaller daha az inandırıcıydı, sonuçta ekip sonuçlarını yayınlamadı.

Ancak Aralık 2015 sonuna yaklaşırken, LIGO araştırmacıları kesin olarak ikinci bir kara delik birleşmesi tespit ettiler. Ekibin geçtiğimiz yaz bildirdiği enerji patlamasının Boxing Day olayı dâhilinde, 1.4 milyar yıl önceki güneşimizin kütlesinin sekiz ve 14 katına kara deliklerin kaynaşmasından kaynaklandı.

Arkasındaki bu ilk büyük başarılarla LIGO ekibi, yerçekimi dalgaları ve kara delikler hakkında daha fazla bilgi edinmek ve aynı zamanda, uzay-zamanlı dalgalanmaları üreten nötron yıldızı birleşmeleri ve diğer astrofizik olayları tespit etmek için isteklidir. Bunu yapmak için ayna kaplamaları da dahil olmak üzere ekipmanlarını daha da geliştirmek istiyorlar. Bu, cevaplanmamış birçok soru içeren bir alan olarak kalan kaplamaların moleküler düzeydeki anlayışındaki ilerlemelerden gelebilir.

Örneğin, TiO2 ile doping kaplamadaki termal gürültüyü azalttı, ancak mekanizma belirsiz. Bu mekanizmanın anlaşılması, kaplamanın daha da gelişmesine yol açabilir. Harry’ye göre, doping, tantal, titanyum ve oksijen arasındaki ortalama bağ mesafelerini, materyal kristal olmamasına rağmen biraz daha düzenli hale getiriyor gibi görünüyor.

“Malzemenin doping üzerine daha az amorf olduğunu gösteren açık verilere sahibiz” diyor, fakat bu yapısal değişimin termal gürültünün azaltılması ile nasıl ilişkili olduğu açık bir araştırma sorusu olmaya devam ediyor. Ayrıca filmin özelliklerini daha da geliştiren tavlama etkisi iyi anlaşılmamıştır.

LIGO bilim insanları, onlarca yıldır yerçekimi dalgalarını araştırdıktan sonra onları yenilenmiş dedektörleri ile kesin olarak tespit ettiler, böylece yeni bir astronomi dönemi başlattılar. Fakat tespit hassasiyetlerini daha da artırmayı umuyorlar – ideal optik kaplamalar anahtar gibi görünüyor.

Billingsley’in dediği gibi, “Kimyagerleri, malzeme bilimcileri ve diğerlerini daha iyi kaplamalar yapmamıza ve moleküler düzeyde bu filmlerde neler olduğunu anlamamıza yardım etmek için çağırıyoruz.” dedi.

Kaynak : acs.org