8 دقیقه
پیشرفت در اپتیک تطبیقی برای آشکارسازهای موج گرانشی
دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید یک فناوری جدید در زمینه اپتیک تطبیقی را نشان داده است که میتواند به آشکارسازهای موج گرانشی اجازه دهد تا عمق بیشتری از عالم را رصد کنند. این سیستم که با نام FROSTI (FROnt Surface Type Irradiator) شناخته می‌شود، نمونه‌ای تمام‌مقیاس است که برای کنترل جلوی موج لیزر در توانهای بسیار بالا داخل تداخل‌سنج‌های موج گرانشی مانند LIGO طراحی شده است. در مقاله‌ای تازه که در مجله Optica منتشر شده، آزمایشهای آزمایشگاهی موفق روی آینه‌ای به اندازه آینههای LIGO و با جرم 40 کیلوگرم گزارش شده و همچنین توضیح داده شده که این رویکرد چگونه به تاسیسات نسل بعدی قابل بسط است.
زمینه علمی: چرا کنترل جلوی موج اهمیت دارد
آشکارسازهای موج گرانشی بر پایه تداخل‌سنجی لیزری عمل می‌کنند تا نوسانات بسیار کوچک فضا-زمان را که در نتیجه برخورد سیاه‌چاله‌ها یا ستارگان نوترونی ایجاد می‌شود، شناسایی کنند. اولین آشکارسازی مستقیم موج گرانشی در سال 2015 توسط LIGO انجام شد که یکی از پیش‌بینی‌های بنیادی نظریه نسبیت عام اینشتین را تایید کرد و دروازه‌ای به روی اخترفیزیک موج گرانشی گشود. هر تداخلسنج LIGO از دو بازوی 4 کیلومتری تشکیل شده و از اپتیک بسیار دقیق شامل اجسام تست اصلی بهره می‌برد؛ این اجسام تست تقریباً 34 سانتی‌متر عرض، 20 سانتی‌متر ضخامت و حدود 40 کیلوگرم جرم دارند. این آینهها باید از نظر مکانیکی و حرارتی آن‌چنان پایدار بمانند که بتوانند تغییراتی را رصد کنند که کمتر از یک‌هزارم شعاع یک پروتون است.
برای پیش بردن حساسیتِ آشکارسازها به مراتب بالاتر، نیاز به توان لیزری بیشتر و کنترل بهتر نویز کوانتومی وجود دارد. اما افزایش توان نوری باعث گرم شدن پوشش‌ها و زیرلایههای آینه به‌طور نامتوازن می‌شود و انحرافات حرارتی‌ای را ایجاد می‌کند که جلوی موج لیزر را مخدوش می‌کنند و خروجی آشکارساز را آلوده می‌سازند. سامانههای جبران حرارتی مرسوم قادر به اعمال تصحیحات خام و با مرتبه پایین هستند، اما در مواجهه با الگوهای فضایی ظریف‌تر که در توانهای چرخشی به سطح مگاوات ایجاد می‌شود، ناکارآمد می‌مانند. این الگوهای پیچیده میتوانند اثرات قابل توجهی بر حساسیت نهایی داشته باشند و بنابراین کنترل دقیق جلوی موج (wavefront control) یکی از مسائل کلیدی در ارتقاء نسل بعدی تشخیص‌دهنده‌ها است.
چگونگی کار FROSTI
FROSTI یک دستگاه پرتاب‌گر حرارتی تطبیقی است که الگوی گرمایی دلخواهی را روی سطح جلویی آینه تداخلسنج میتاباند تا انبساط حرارتی حاصل، اعوجاجهای ناشی از لیزر را خنثی کند. برخلاف نامی که یادآور سرماست، این سیستم دقیقاً و به‌شیوه‌ای کنترل شده گرما اعمال می‌کند تا تغییر شکل حرارتی موجب بازسازی شکل اپتیکی مطلوب آینه شود. در ادامه نکات کلیدی این فناوری آمده است:
پرتاب حرارتی دقیق
FROSTI از یک آرایه با وضوح بالا برای تولید الگوهای تابش حرارتی با کنترل مکانی ظریف استفاده می‌کند. این قابلیت به اپراتورها اجازه میدهد تا ابراسیون‌های مرتبه بالاتر را جبران کنند؛ یعنی اصلاحاتی که فراتر از توان سیستم‌های جبران سنتی هستند. با این شیوه، خطای باقیمانده جلوی موج کاهش می‌یابد و در عین حال از تولید نویز اضافی جلوگیری می‌شود که ممکن است با سیگنال موج گرانشی اشتباه گرفته شود. عملیاتی کردن چنین نرم‌افزار کنترلی معمولاً نیازمند الگوریتمهای کنترل حلقه‌باز و حلقه‌بسته، مشاهدات لحظه‌ای جلوی موج (با حسگرهایی نظیر هارتمن یا دوربین‌های چند-مداره)، و مدل‌های پیش‌بینی مبتنی بر تحلیل المان محدود برای رفتار حرارتی و الاستیک آینه است.
سازگاری با کلاس مگاوات
نمونه اولیه FROSTI برای عملکرد در شرایطی طراحی شده که توانهای نوری داخلی از مرز یک مگاوات فراتر برود؛ معیاری که بیش از یک میلیارد برابر قدرت یک اشاره‌گر لیزری معمولی است و تقریباً پنج برابر توان‌هایی است که LIGO فعلاً به کار می‌گیرد. حفظ نویز اپتیکی و مکانیکی پایین در این سطوح توان، برای امکان‌پذیر ساختن ارتقاءهای حساسیت برنامه‌ریزی‌شده حیاتی است. چالشهای فنی در این زمینه شامل کنترل جذب سطحی پوشش‌ها، مدیریت توزیع دما در زیرلایههای با جرم بالا، کاهش نوسانات حرارتی-مکانیکی و اطمینان از عدم ایجاد مودهای ترموالاستیک جانبی است. طراحی‌های FROSTI همچنین با هدف کاهش اثرات متقابل بین منبع گرما و محیط خلاء پیرامون آینه بهینه‌سازی شده‌اند، چرا که هرگونه جریان گازی یا توربولانس حرارتی میتواند جلوی موج را بدتر کند.
پیامدها برای آشکارسازها و اخترشناسی
حفظ کیفیت اپتیکی آینهها در توانهای بالا، موانع عمده‌ای را برای افزایش حساسیت تداخل‌سنج‌ها از بین می‌برد. کنترل بهتر جلوی موج به‌طور مستقیم به افزایش برد رصدی منجر می‌شود: مدل‌ها نشان می‌دهند که می‌توان تا یک توانِ دهی (order-of-magnitude) در حجم قابل رصد افزایش یافت، که این امر به معنی افزایش چشمگیر شمار رویدادهای قابل کشف است. در عمل، اگر حساسیت به‌این‌شکل بهبود یابد، شمار رویدادهایی مانند برخوردهای سیاه‌چاله و ستارگان نوترونی که اکنون سالانه مشاهده می‌شوند میتواند به میلیون‌ها مورد قابل آشکارسازی ارتقاء یابد، به ویژه وقتی شبکه‌های نسل بعدی آشکارسازها فعال شوند.
FROSTI میتواند نقش کلیدی در برنامه‌های ارتقاء میان‌مدت از جمله LIGO A# ایفا کند؛ یک به‌روزرسانی میانی که به‌عنوان مسیرآزمایشی برای پروژه بزرگتر و هدایت‌شده توسط ایالات متحده، یعنی Cosmic Explorer، در نظر گرفته شده است. طرح Cosmic Explorer شامل جرم‌های آزمون بسیار بزرگتر (حدود 440 کیلوگرم) و توانهای گردش نوری بسیار بالاتر است تا اخترفیزیک موج گرانشی را به دوران‌های کیهانی پیشین‌تر بکشاند. تیم UC Riverside گزارش داده که مفهوم FROSTI قابل توسعه به سوی آینههای سنگین‌تر و الگوهای انحرافی پیچیدهتر مورد نیاز این تلسکوپ‌های آینده است؛ از جمله قابلیت تطبیق با ضریب جذب پوشش‌های متفاوت، توزیع دمایی بزرگتر و پاسخ دینامیکی آینههای حجیم.
جزئیات آزمایش و نقشه راه توسعه
مقاله منتشرشده در Optica آزمایشهای روی میز تمام‌مقیاس نمونه اولیه FROSTI را روی یک آینه با اندازه و جرم مشابه آینههای LIGO (40 کیلوگرم) مستند کرده است. در این آزمایش‌ها، اصلاحات دقیق اعوجاج ناشی از لیزر با موفقیت انجام شد و در عین حال نویز اضافی قابل تشخیص ایجاد نشد؛ یعنی عملکرد سیستم با معیارهای حساسیت لازم سازگار بود. این نتایج اولیه نشان میدهد که پرتاب حرارتی کنترلشده میتواند به عنوان ابزاری عملی برای مدیریت جلوی موج در محیط‌های دارای توان بالا عمل کند.
گام‌های بعدی شامل طراحی گونه‌هایی است که قادر به جبران اعوجاجهای پیچیدهتر باشند و همچنین تطبیق سامانههای پرتاب به جرم حرارتی بالاتر آینههای 440 کیلوگرمی برنامه‌های آینده. از منظر مهندسی، این کار نیازمند:
- تحقیقات مواد برای انتخاب پوشش‌ها و زیرلایه‌هایی با جذب پایین و پاسخ حرارتی قابل پیش‌بینی،
- توسعه الگوریتمهای کنترل پیشرفته با بازخورد بلادرنگ و فیلتر کردن نویز تا مرزهای نویز کوانتومی،
- یکپارچهسازی با سامانههای کنترلی موجود تداخلسنج و تطبیق با محیط خلاء شدیدِ آزمایشی،
- آزمایشهای پیوسته برای ارزیابی پایداری بلندمدت و اثرات خستگی حرارتی-مکانیکی در طول چرخههای عملیاتی.
تیم توسعه قصد دارد طراحی‌ها را در طول سال‌های آتی تکرار کند و این تلاش‌ها بخشی از یک برنامه R&D چنددهه‌ای برای زیرساخت‌های موج گرانشی خواهد بود. این مسیر شامل ارزیابی‌های مدلسازی، نمونه‌سازی، آزمایش در شرایط نزدیک به عملی، و نهایتاً نصب و کاربست در سایت‌های آزمایشی مقیاس بزرگ خواهد بود.
دیدگاه کارشناسان
«پرتاب حرارتی تطبیقی مانند FROSTI شکاف حیاتی بین جاه‌طلبی توان لیزری و ثبات اپتیکی را پر می‌کند,» می‌گوید دکتر مایا آلوارز، اخترفیزیکدانی که در ابزارسازی آشکارسازها تخصص دارد. «با امکان‌پذیر کردن عملیات با توان بالاتر به‌صورت قابل‌اعتماد و بدون فدا کردن حساسیت محدود به نویز کوانتومی، سیستم‌هایی در این دسته برای تحقق اهداف علمی پروژه‌هایی مانند Cosmic Explorer و شبکه جهانی آشکارسازها ضروری خواهند بود.» این نظر کارشناسی به اهمیت تلفیق فناوری‌های نوین کنترلی با الزامات دقیق فیزیکی آشکارسازها اشاره می‌کند؛ جایی که شناخت رفتار ماده در دماهای متفاوت، تحلیل مودهای ارتعاشی و مدیریت نویز در مقیاس‌های مختلف تعیین‌کننده است.
نتیجه‌گیری
FROSTI یک راه‌حل عملی و مقیاس‌پذیر برای یکی از دشوارترین مسائل مهندسی پیش روی آشکارسازهای موج گرانشی نسل بعدی ارائه میدهد: چگونه اپتیک‌های نزدیک به حد پراش را در حضور توانهای لیزری در سطح مگاوات حفظ کنیم. اگر این فناوری به‌طور موفقیت‌آمیز به آینههای سنگین‌تر و محیط‌های حرارتی پرتقاضاتر تلسکوپ‌های آینده مقیاس شود، میتواند تبدیل به ابزاری بنیادین برای گسترش افق دید موج گرانشی جهان شود و جمعیت بسیار بزرگ‌تری از اختروش‌های ادغام اجسام فشرده را برای مطالعه اخترفیزیکی دقیق‌تر در دسترس قرار دهد. ترکیب مدلسازی دقیق، آزمایشهای کنترلشده و توسعه مهندسی مداوم احتمالاً این تکنولوژی را از مرحله نمونه آزمایشگاهی به بخش جدایی‌ناپذیر زیرساخت‌های ملی و بین‌المللی موج گرانشی تبدیل خواهد کرد.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر