Pomiar fal grawitacyjnych za pomocą szkła

Naukowcy z Jeny wyprodukowali do czujników drgań teleskopu Einsteina bardzo czułe rezonatory wykonane w całości ze szkła po raz pierwszy w historii. © Fraunhofer IOF / Researchers from Jena have manufactured highly sensitive resonators made entirely of glass for the vibration sensors of the Einstein Telescope. © Fraunhofer IOF

Wizualizacja: Fale grawitacyjne to zniekształcenia czasoprzestrzeni, które są wywołane np. zderzeniem czarnych dziur. © Fraunhofer IOF / Visualization: Gravitational waves are distortions of space-time caused, for example, by the collision of black holes. © Fraunhofer IOF

Czujnik szklany na rysunku: Niebieskie są sprężyny liściowe, zielony to masa testowa, szary to zewnętrzna rama, żółty to powłoka lustra. © 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

Monolityczny rezonator szklany z cienkimi jak papier sprężynami listkowymi jest wytwarzany za pomocą specjalnej metody łączenia. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Wizualizacja planowanego Teleskopu Einsteina. © Marco Kraan / Nikhef / Wizualizacja planowanego Teleskopu Einsteina. © Marco Kraan / Nikhef

Einstein-Teleskop ma na celu od 2035 roku badanie fal grawitacyjnych z niespotykaną dotąd precyzją. Naukowcy z Jeny po raz pierwszy wyprodukowali w pełni szklane, bardzo czułe czujniki do teleskopu.

Fale grawitacyjne to zakłócenia czasoprzestrzeni wywołane przez ekstremalne zjawiska astrofizyczne, takie jak zderzenia czarnych dziur. Rozchodzą się z prędkością światła i niosą cenne informacje o takich wydarzeniach przez cały wszechświat. Einstein-Teleskop ma w przyszłości mierzyć te fale z niespotykaną dotąd dokładnością, stając się wiodącym na świecie narzędziem do wykrywania fal grawitacyjnych.

Aby zminimalizować zakłócenia pomiarów, teleskop ma być zbudowany do głębokości 300 metrów pod ziemią. Jednak nawet tam występują jeszcze drgania mechaniczne, wywołane na przykład przez odległe trzęsienia ziemi lub ruch uliczny na powierzchni. Bardzo czułe czujniki drgań mają mierzyć te pozostałe wibracje.

Naukowcy z Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF z Jeny we współpracy z Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut AEI) z Hanoweru opracowali i wyprodukowali te czujniki drgań do Einstein-Teleskopu.

Rezonator do czujników drgań po raz pierwszy w pełni wykonany z kwarcu

„Taki czujnik drgań składa się z dwóch głównych elementów: ruchomego rezonatora i lasera, który odczytuje ruch rezonatora“, wyjaśnia dr Pascal Birckigt, odpowiedzialny kierownik projektu w Fraunhofer IOF w Jenie. Rezonator został wyprodukowany w Jenie, a laser w Hanowerze. „Ruchomy rezonator jest częścią czujnika, która zamienia drgania z otoczenia na mierzalny ruch, podobnie jak struna w gitarze.“

Pracując nad tym projektem, naukowcy z Fraunhofer IOF stworzyli coś, czego dotąd nie było: delikatny, mechaniczny rezonator wykonany wyłącznie z kwarcu (>99,8% SiO2). Jednocześnie łączy on niską własną częstotliwość 15 Hz z wysokim współczynnikiem jakości (>100 000) i kompaktowym rozmiarem o średnicy zaledwie pięciu centymetrów.

„Czujniki drgań będą w przyszłości umieszczane w bezpośrednim sąsiedztwie około 200-kilogramowych luster w detektorach fal grawitacyjnych Einstein-Teleskopu“, wyjaśnia Birckigt. „Na każdy lustro przypadają trzy czujniki. Dzięki naszym rezonatorom czułość tych czujników będzie tak wysoka, że będą w stanie wyraźnie widzieć szczyty fal wodnych w Atlantyku, oddalonym o około 200 kilometrów od miejsca lokalizacji teleskopu, w spektrum sejsmicznym.“

Skomplikowane wymagania wobec czujnika: szkło jest rozwiązaniem

Całkowita produkcja rezonatorów ze szkła wynika z złożonych wymagań wobec czujnika: „W Einstein-Teleskopie jest niewiele miejsca na czujniki“, wyjaśnia Birckigt. „Jednocześnie czujniki muszą być wyjątkowo wydajne.“ Tylko szkło jako materiał pozwala na spełnienie wymagań dotyczących kompaktowości i niskiej własnej częstotliwości przy jednoczesnej wysokiej czułości. Powodem są tak zwane sprężyny płytowe wewnątrz rezonatora.

Sprężyny płytowe są sercem rezonatora. Umożliwiają jego niską własną częstotliwość, czyli tę, przy której system zaczyna reagować na drgania. Jest to konieczne, ponieważ Einstein-Teleskop chce mierzyć niskoczęstotliwościowe fale w zakresie od 3 do 30 Hz. „Aby to się udało, istnieją dwie techniczne możliwości“, wyjaśnia Birckigt. „Albo wewnątrz rezonatora umieszcza się dużą masę testową, która reaguje na zewnętrzne drgania, albo do masy testowej przyczepia się długie, elastyczne, odkształcalne belki, tak zwane sprężyny płytowe.“

Ze względu na wymaganą kompaktowość czujnika nie można zastosować dużej masy testowej. Pozostało więc rozwiązanie z sprężynami płytowymi, które naukowcy wyprodukowali ze szkła: „Szkło wyróżnia się szczególnie wysoką sztywnością“, wyjaśnia Birckigt. „Praktycznie nie wykazuje plastycznego odkształcenia. Dlatego możliwe jest wytwarzanie cienkich sprężyn płytowych ze szkła.“ Cienkie oznacza w tym przypadku: pojedyncza sprężyna ma grubość 0,1 milimetra, długość siedmiu centymetrów i waży zaledwie 34 miligramy. W sumie sześć takich sprężyn utrzymuje wewnątrz rezonatora trzygramową masę testową stabilnie i w odpowiednim położeniu.

Specjalna metoda łączenia do produkcji rezonatora szklanego

Produkcja tak delikatnego i jednocześnie wydajnego rezonatora to skomplikowany proces. Obejmuje frezowanie, polerowanie oraz obróbkę laserową. Ponadto stosuje się specjalną metodę łączenia aktywowaną plazmowo, aby na poziomie atomowym połączyć powierzchnie szklanych elementów rezonatora. „Oba elementy tworzą od tej pory monolityczną, trwałą jednostkę“, wyjaśnia Birckigt, który nadzorował w projekcie procesy łączenia szklanych części. „Dzięki temu rezonator jest niezwykle stabilny i precyzyjny.“ Naukowcy z Fraunhofer IOF planują dalszy rozwój tej metody, aby móc łączyć jeszcze bardziej skomplikowane, trójwymiarowe struktury.

Potencjał zastosowań w kosmosie i przemyśle półprzewodników

Nowe szklane rezonatory mogą znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie konieczne jest monitorowanie szeregu kompaktowych czujników przyspieszenia lub położenia. Dotyczy to, oprócz badań fal grawitacyjnych, na przykład satelitów – na przykład do wyznaczania ich trajektorii, pomiarów powierzchni Ziemi lub nawigacji precyzyjnej. Ponadto rezonatory mogą służyć do poprawy dokładności pomiarów atomowych interferometrów oraz w urządzeniach litograficznych EUV do obróbki półprzewodników.

Planowane uruchomienie Einstein-Teleskopu od 2035 roku

Einstein-Teleskop jest od 2008 roku w fazie ciągłego rozwoju. To detektor fal grawitacyjnych trzeciej generacji o nawet dziesięciokrotnie wyższej czułości niż obecne detektory. Planowane rozpoczęcie budowy to 2026 rok, a obserwacje mają się rozpocząć od 2035 roku. Według obecnych planów, lokalizacja teleskopu ma się znajdować w regionie Euregio Maas-Rhein na pograniczu Niemiec, Belgii i Holandii.

Rozwój czujników został zrealizowany przez naukowców z Jeny i Hanoweru w ramach projektu „Glass Technologies for the Einstein Telescope“ (GT4ET).