Gravitációs hullámokat üveg segítségével mérni

Kutatók Jénából először teljes egészében üvegből készítettek rendkívül érzékeny rezonátorokat az Einstein-teleszkóp rezgésérzékelőihez. © Fraunhofer IOF / Researchers from Jena have manufactured highly sensitive resonators made entirely of glass for the vibration sensors of the Einstein Telescope. © Fraunhofer IOF

Ábrázolás: A gravitációs hullámok a téridő torzulásai, amelyeket például fekete lyukak összeütközése okoz. © Fraunhofer IOF / Ábrázolás: A gravitációs hullámok a téridő torzulásai, amelyeket például fekete lyukak összeütközése okoz. © Fraunhofer IOF

Az üvegérzékelő rajzként: kék a levélrugók, zöld a vizsgamassza, szürke a külső keret, sárga egy tükörbevonat. © Fraunhofer IOF / The glass sensor as a drawing: Blue are the leaf springs, green is the test mass, gray is the outer frame, yellow is a mirror coating. © Fraunhofer IOF

A monolitikus üvegrezonátor, amely vékony levegőlaprugókkal van ellátva, egy speciális összekötő eljárással készül. © Fraunhofer IOF / A monolitikus üvegrezonátor papírvékony levegőlaprugókkal speciális összekötési eljárással készül. © Fraunhofer IOF

A tervezett Einstein-teleszkóp vizualizációja. © Marco Kraan / Nikhef / A tervezett Einstein-teleszkóp vizualizációja. © Marco Kraan / Nikhef

A Einstein-teleszkóp 2035-től eddig soha nem látott pontossággal fogja kutatni a gravitációs hullámokat. Jénában dolgozó kutatók első alkalommal teljesen üvegből készítettek rendkívül érzékeny szenzorokat a teleszkóp számára.

A gravitációs hullámok a téridő torzulásai, amelyeket extrém asztrofizikai események, például fekete lyukak összeütközése okoz. Ezek a hullámok fénysebességgel terjednek, és értékes információkat hordoznak ilyen eseményekről az univerzumban. A Einstein-teleszkóp a jövőben példátlan precizitással fogja mérni ezeket a hullámokat, és ezzel a világ vezető mérőeszközévé válik a gravitációs hullámok kimutatásában.

Az mérések zavarásának minimalizálása érdekében a teleszkópot akár 300 méter mélyen a föld alá építik. Még ott is vannak mechanikus rezgések, például távoli földrengések vagy a felszíni közlekedés okozta vibrációk. Nagyon érzékeny rezgésérzékelőket fognak alkalmazni ezek mérésére.

A Jénában működő Fraunhofer Alkalmazott Optika és Finommechanika Intézet (IOF) kutatói a Hannoverben található Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut AEI) együttműködésében fejlesztették és építették ezeket a rezgésérzékelőket az Einstein-teleszkóp számára.

Rezonátor a rezgésérzékelők számára, első alkalommal teljes egészében kvarcüvegből

»Egy ilyen rezgésérzékelő két fő alkotóelemből áll: egy mozgó rezonátorból és egy lézerrendszerből, amely olvassa a rezonátor mozgását«, magyarázza Dr. Pascal Birckigt, a Fraunhofer IOF projektvezetője Jénában. A rezonátort Jénában készítették, a lézert Hannoverben egészítették ki. »A mechanikus rezonátor az érzékelő azon része, amely a környezeti rezgéseket mérhető mozgássá alakítja, hasonlóan egy hangvillahez.«

Az intézet kutatói valami olyat hoztak létre, ami eddig még soha nem volt: egy finom mechanikus rezonátort, amely tiszta kvarcüvegből (>99,8% SiO2) készült. Ez egyidejűleg ötvözi az alacsony sajátfrekvenciát, 15 Hertz-et, a magas minőségi tényezőt (>100.000) és az alig öt centiméter átmérőjű kompakt méretet.

»A rezgésérzékelőket a jövőben közvetlenül a gravitációs hullám-detektorok, az Einstein-teleszkóp körülbelül 200 kilogrammos tükrének közelében helyezik el«, folytatja Birckigt. Minden tükörhöz három érzékelőt terveznek. »Az érzékelők érzékenysége a rezonátorainknak köszönhetően olyan magas lesz, hogy a víz hullámait, amelyek a teleszkóp helyétől kb. 200 kilométerre lévő Atlanti-óceánban keletkeznek, a szeizmikus spektrum csúcsaként lehet majd jól látni.«

Komplex követelmények az érzékelőkkel szemben: az üveg a megoldás

A rezonátorok teljes üvegkivitelben történő gyártása a komplex követelmények miatt szükséges: »Az Einstein-teleszkópban kevés hely áll rendelkezésre az érzékelők számára«, magyarázza Birckigt. »Egyidejűleg az érzékelőknek különösen erősnek kell lenniük.« Csak az üveg anyagként lehetővé tenné a kompakt kialakítást és az alacsony sajátfrekvenciát, miközben magas érzékenységet biztosít. Ennek oka a rezonátor belsejében található ún. laprugók.

A laprugók a rezonátor szívét képezik. Lehetővé teszik annak alacsony sajátfrekvenciáját, azaz azt a frekvenciát, amelyen a rendszer rezgésre reagál. Ez szükséges, mert az Einstein-teleszkóp alacsony frekvenciájú hullámokat, 3 és 30 Hertz közötti tartományban kíván mérni. »Ennek sikeressége érdekében két technikai lehetőség áll rendelkezésre«, magyarázza Birckigt. »Vagy egy nagy tömeget helyeznek a rezonátor belsejébe, amely az külső rezgésekre reagál, vagy hosszú, rugalmasan deformálható hajlító rudakat, az ún. laprugókat, rögzítenek a tömeghez.«

Egy nagy tömeg nem férne el a szenzorok méretkorlátozása miatt. Ezért maradt a megoldás a glaszlaprugók alkalmazása: »Az üveg kiváló szilárdságáról ismert«, magyarázza Birckigt. »Szinte nem mutat plastikus deformációt. Ezért lehet vékony üveglaprugókat gyártani.« Vékonynak ebben az esetben: egyetlen rugó 0,1 milliméter vastag, hét centiméter hosszú, és mindössze 34 milligramm súlyú. Összesen hat ilyen rugó tartja stabilan és irányítva a rezonátor belsejében a három grammos tömegű próbát.

Különleges gyártási eljárás az üvegrezonátor előállításához

Az ilyen finom és egyidejűleg erőteljes rezonátor gyártása összetett folyamat. Magában foglal forgácsolási és polírozási munkákat, valamint lézeres megmunkálási eljárásokat. Emellett egy speciális, plazmaaktivált kötési eljárást alkalmaznak, amely atom szinten köti össze az üveg felületeit. »Ezek a részek így egy monolitikus, tartós egységet alkotnak«, magyarázza Birckigt, aki a projekt során a gyártási eljárásokat felügyelte. »Ez rendkívül stabil és precíz rezonátort eredményez.« Ezt a speciális módszert, amellyel az üveget további közbenső réteg nélkül lehet összekötni, a kutatók a Fraunhofer IOF-nál tovább kívánják fejleszteni. Céljuk még összetettebb, háromdimenziós szerkezetek kialakítása.

Alkalmazási lehetőségek űrkutatásban és félvezetőgyártásban

Az új üvegrezonátorokat elméletileg mindenhol alkalmazhatják, ahol kompakt gyorsulás- vagy helyzetérzékelőket kell megfigyelni. Ez a gravitációs hullámkutatáson kívül például műholdaknál — például pályájuk meghatározására, a Föld felszínének mérésére vagy navigációs célokra. Emellett a rezonátorokat felhasználhatják az atom-interferométerek mérési pontosságának javítására, valamint EUV-litográfiás berendezésekben félvezetők feldolgozására.

Az Einstein-teleszkóp üzembe helyezése 2035-től tervezett

Az Einstein-teleszkóp 2008 óta folyamatos fejlesztés alatt áll. Ez egy rendkívül érzékeny, a harmadik generációs gravitációs hullám-detektor, amely akár tízszer érzékenyebb, mint a jelenlegi detektorok. A kivitelezés várhatóan 2026-ban kezdődik, és az észleléseket 2035-től tervezi megkezdeni. A helyszín a jelenlegi tervek szerint a német, belga és holland határ közelében, az Euregio Maas-Rhein régióban lesz.

A szenzorok fejlesztését jénai és hannoveri kutatók végezték az „Üvegtechnológiák az Einstein-teleszkóp számára” (GT4ET) projekt keretében.