Pazar , 27 Eylül 2020
Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 1 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d25400326b

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek

Gelişmiş-ligo-kütleçekim-dalgalarını-kuantum-bilgisayarla-görecekAmerika’daki kütleçekim dalgaları gözlemevi Gelişmiş LIGO, sinyal gürültüsünü azaltan yeni kuantum sensörler sayesinde artık yüzde 50 daha hassas çalışıyor! Peki gürültüyü azaltarak LIGO’nun en zayıf kütleçekim dalgalarını bile tespit etmesini sağlayan yeni “kuantum cımbız” nasıl çalışıyor? Evreni oluşturan büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgalarıyla birlikte görelim.

Lazer ışınlarıyla çalışıyor

Bilim insanları çarpışan kara delikler gibi en şiddetli gök olaylarından kaynaklanan kütleçekim dalgalarını algılamak için inşa edilen ve lazer ışınlarıyla çalışan LIGO’ya ışığı sıkıştıran özel kuantum sensörler taktılar.

Yeni kuantum cımbız, kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesinden kaynaklanan rastgele enerji salınımlarını sınırlıyor. Böylece detektördeki gürültüyü azaltarak LIGO’nun evrenin uzak köşelerinden gelen en zayıf kütleçekim dalgalarını bile algılamasına izin veriyor. Bu neden önemli derseniz:

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 2 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d2541de058

Kütleçekim dalgaları gözlemevi Gelişmiş LIGO Amerika’daki iki yeraltı detektöründen oluşuyor. Aynı zamanda İtalya’daki Virgo detektöründen destek alıyor.

Gelişmiş LIGO ve büyük patlama

Birleşen kara delikler ve çarpışan nötron yıldızları, fiziği en aşırı şartlar altında test etmemizi sağlıyor. Biz de bu çarpışmalar sırasında uzaya yayılan kütleçekim dalgalarını gözlemleyerek kuantum fiziğiyle göreliliği birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı; yani tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirebiliriz.

Dahası sicim teorisi ve halka kuantum kütleçekim kuramı (LQG) gibi her şeyin teorisine aday olan kuramları test etmek için büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgalarını saptamamız gerekiyor. İlkin kütleçekim dalgalarının frekansı, dalga boyu ve şiddeti hangi teorinin doğru olduğunu gösterecek.

Bunun için de Gelişmiş LIGO ve gelecekte inşa edilecek olan LISA gibi yeni detektörlerin gücüne güç katmamız lazım. Peki Gelişmiş LIGO’nun duyarlılığını artıran kuantum cımbız nasıl çalışıyor? Bu yazıda astrofizik gözlemleri yapmak için kullanılan en yeni çekirdek teknolojileri göreceğiz.

Gelişmiş-ligo-kütleçekim-dalgalarını-kuantum-bilgisayarla-görecek

LIGO bir lazer girişimölçeri olup lazer ışınlarını kesiştirerek çalışıyor. Kaymalar kütleçekim dalgalarına işaret ediyor.

Gelişmiş LIGO ve kusursuz vakum

Lazer girişimölçer teknolojisiyle çalışan Gelişmiş LIGO sisteminde, bir lazer ışınını alıp ikiye bölüyor ve iki ayrı aynaya gönderiyoruz. Ardından aynalardan seken iki ışının kesişmesini sağlıyoruz.

Öte yandan, kütleçekim dalgaları bizzat-uzay zamanı dalgalandırıyor ve Dünya’nın içinden geçerken, LIGO’nun lazer ışınlarını da titreterek yolundan sapmasına neden oluyor. LIGO detektörleri ışınların dalgalandığını ve bu yüzden birbiriyle artık kesişmediğini algıladığı zaman kütleçekim dalgaları tespit ettiğine hükmediyor.

Ancak, bu dalgalar birleşen kara delikler, çarpışan nötron yıldızları ve süpernova patlamaları gibi farklı sebeplerden kaynaklanıyor. Bizim de evrenin sırlarını aydınlatmak için kütleçekim dalgalarının hangi kaynaktan geldiğini kesin olarak bilmemiz gerekiyor.

İşte bunun için kütleçekim dalgası sinyallerini bozan gürültüyü azaltmaya çalışıyoruz. Bunun için de detektörleri temiz tutmamız ve lazer ışınlarını çarpıtabilecek tozlarla rutubetli havadan arındırmamız gerekiyor. Bunu da öncelikle vakum oluşturarak yapıyoruz. Peki vakum nedir?

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 3 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d2546ab5ed

Kara delik birleşmeleri gibi şiddetli gök olayları uzay-zamanı dalgalandıran kütleçekim dalgaları yaratıyor. Büyütmek için tıklayın.

Gelişmiş LIGO ve boş uzay

Vakum boş uzaydır. Bilim insanları da detektörleri havası alınmış bir kapta tutarak uzay boşluğu şartlarını yaratıyor.

Ancak, en güçlü kompresörlerle bile uzay boşluğu kadar saf vakum yaratmak imkansızdır. Dahası boş uzay bile tümüyle boş değildir. Metreküpte bir atom bile olsa uzay boşluğunda türlü parçacık vardır ve elektromanyetik alanlar gibi enerji alanları boşluğu doldurur.

İşte bu sebeple fizikte hassas gözlemler yapmak için vakum oluşturmak gerekir ve iyi vakum oluşturmak da özel teknolojiler isteyen büyük marifettir. Biz de önce laboratuarda nasıl vakum yaratıldığını göreceğiz. Sonra kusursuz vakum yaratmanın imkansızlığına değinerek Gelişmiş LIGO sisteminde kullanılan kuantum bilgisayarlar, kuantum sensörler ve kuantum cımbızın nasıl çalıştığına bakacağız:

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 4 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d254884cc4

LIGO lazerlerinden biri ayna testinde.

En iyi vakumu yaratmak

En iyi vakum içinde hiç madde ve enerji bulunmayan vakumdur. Nitekim LIGO detektörleri 10 bin metreküplük alanda Dünya deniz seviyesi atmosfer basıncının trilyonda birine eşdeğer düşük basınçlı vakum yaratabiliyor.

Ancak kusursuz vakum yoktur:  1) Termodinamiğin ikinci yasası gereği enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremeyeceğimiz için boşluktaki bütün parçacıkları çıkaramayız. 2) Kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi yüzünden boş uzayda Unruh Etkisi oluşur ve bu da uzayın sanal parçacıklarla dolmasına yol açar.

3) Kütle enerjinin bir özelliği olduğundan ve Unruh etkisi nedeniyle boş uzay bile kuantum alanlarıyla kaplıdır. Boş uzayın enerjisi sıfırdan büyüktür ve vakum ortamı kuantum köpükten kaynaklanan rastgele kuantum salınımlarıyla titreşir. Öyleyse en hassas detektörleri nasıl üreteceğiz?

Bir odanın havasını boşaltmak yeterli olmayacağına ve kuantum salınımlarını uzaydan silemeyeceğimize göre, boşluğun enerjisini sıfıra düşürmekten başka bir şey yapacağız. Enerjiyi silmek yerine enerjiye hükmedeceğiz: Gelişmiş LIGO lazerle çalıştığına göre, bizzat ışığı kuantum cımbızla tutup sıkıştırarak lazer ışınlarının gereksiz yere titremesini önleyeceğiz.

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 5 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d254935243

LIGO’nun 40 kg ağırlığındaki soğutulmuş test kütlesi aynaları lazer ışınlarının dalgalandığını anlamakta kullanılıyor.

Gelişmiş LIGO ve gürültü

Önce vakumu bozan pratik faktörlere bakalım: 1) Depremler ve uzak yanardağ püskürmelerinin yol açtığı yer sarsıntıları ile meteor taşı çarpışmaları lazeri titretebilir. 2) Tesiste yürüyen insanların ayak sesleri ve titreşimleri parazit yapabilir. 3) Ayrıca fiziksel olarak mutlak sıfıra ulaşamayacağımız için rastgele ısıl titreşimler olacak, vakumdaki seyrek gazlar ve temel parçacıklar da gürültü yaratacaktır.

Neyse ki gürültünün büyük kısmını elimine etmek kolaydır. Özellikle de bir titreşimin gürültü olduğunu bildiğimiz zaman bunu yapabiliriz. Örneğin, Dünya’daki yer sarsıntılarının frekans aralığı bellidir. Bunu bilgisayara programlar ve Gelişmiş LIGO verilerinden sileriz.

Kısacası arka plan gürültüsünü kütleçekim dalgalarından çıkararak saf sinyaller üretiriz. Oysa LIGO en zayıf sinyalleri bile alabilecek kadar hassas olmak zorunda. Bizim de hassas veriler içinde, hangisinin boşluktaki kuantum salınımları ve hangisinin gerçek kütleçekim dalgalarından kaynaklandığını anlamamız gerekiyor. Kuantum cımbız gürültü silme sistemi burada devreye giriyor.

Peki Gelişmiş LIGO’nun duyarlılığını nasıl artırdık? Örneğin, lazer ışınlarını güçlendirerek rastgele titremelerini zorlaştırdık. İkincisi lazer ışınlarını oluşturan fotonların detektöre ne zaman ulaştığını daha hassas ölçecek iyileştirmeler yaptık (foton varış zamanı ölçüm teknikleri). Üçüncüsü de lazer ışınlarının yarattığı radyasyon basıncından kaynaklanan belirsizlikleri elimine ettik. Lazer ışınlarını güçlendirmeyi anlamak kolaydır ve diğer ikisi de kuantum cımbızla ilgilidir. Kuantum cımbızı görelim:

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 6 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d2549cdd80

Hassaslık arttıkça LIGO’nun menzili de artıyor. Gittikçe daha uzak veya zayıf kütleçekim dalgalarını görüyor. Gök küre haritasını büyütmek için tıklayın.

Gelişmiş LIGO ve Kuantum Cımbız

Kuantum salınımları Gelişmiş LIGO lazer detektörlerinde parazit yapıyorsa bunu önlemenin en iyi yolu kuantum optik tekniklerini kullanmaktır. Açıkçası ışığı sıkıştırırız ve lazer ışınlarının içinde giderken yoldan çıkan fotonların sayısını azaltırız. Bu da belirsizlik ilkesine rağmen fotonların detektöre ulaşma anını daha kesin ölçmemizi sağlar. Sonuçta lazer ışınlarının titremesini azaltırız.

Düşünün ki Gelişmiş LIGO lazer ışınlarını kesiştirerek çalışıyor. Kesişmezse de kütleçekim dalgaları tespit ettiğine hükmediyor. Oysa lazer ışınları foton parçacıklarından oluşuyor. Bu ışınlar kesintisiz kesişen birer düz çizgi değil ve aralıklarla kesişiyor. Detektör hassasiyeti arttıkça ışınları düz çizgi olarak yorumlamak yeterli olmuyor. Tek tek foton girişimlerini hesaba katmanız gerekiyor.

Foton girişimleri dedik; çünkü ışık parçacıkları aynı zamanda dalgadır ve deniz yüzeyindeki dalgalar gibi girişimler yapar. Öyleyse ışığı sıkıştırmak için kuantum optik teknikleri kullanmak demek, çay bardağını sarsmadan ve çayı dökmeden masaya taşımak gibi bir şeydir. Gürültüyü azaltırsınız.

Gelişmiş LIGO’ya takılan kuantum sensörler, elektromanyetik dalga olan fotonların faz (foton varış zamanı) ve genliğindeki (radyasyon basıncındaki azalış ve artış salınımları) belirsizlikleri azaltıyor.

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 7 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d254c3137c

Boş uzaya bile enerji katan ve gürültü yapan rastgele kuantum salınımları: Kuantum köpük.

Işığı sıkıştırmak mümkün mü?

Tabii ki ışık elinizde sıkıştırıp ezeceğiniz çubuk makarna gibi katı bir cisim değildir. Yine de nükleer füzyon reaktörlerindeki 100 milyon derecelik plazmayı kontrol etmekte kullandığınız güçlü elektromanyetik alanlarla ışığı sıkıştırabilirisiniz.

Bu durumda manyetik sınırlama, ışığı oluşturan fotonların rastgele olarak ışının dışına çıkması ve ışının saçılmasını önler. Oysa lazeri sıkıştıracak kadar güçlü manyetik alanlar çok enerji harcar ve kendi gürültüsünü yaratır. Neyse ki bunun çok daha basit ve ucuz bir yolu bulunuyor. Hatta meraklısı için kuantum cımbızın bir de teknik adı var: Optik parametrik salıngaç.

Bu alette belirli konfigürasyonlara sahip aynaların ortasında duran bir kristal yer alıyor. Siz de Gelişmiş LIGO lazerlerini kristalin içinden geçirerek sıkıştırıyorsunuz. Böylece fotonların faz salınımları azılırken genlik salınımları artıyor (tıpkı bir ışın kılıcı kristalinin yaptığı gibi).

Peki gerçekte neyi sıkıştırıyoruz?

Aslında kristaldeki atomların enerji izi (bizzat varlığı) fotonların içinde titreyebileceği kuantum alanlarındaki rastgele enerji salınımlarını azaltıyor. Bu da fotonların hareket alanını, boş alanı daraltıyor. Sonuçta daha kusursuz bir vakum üreterek kuantum cımbızla hassasiyeti artırıyorsunuz. Nitekim bu teknikle LIGO Hanford duyarlılığı yüzde 40 ve LIGO Livingston duyarlılığı da yüzde 50 arttı.

Gelişmiş LIGO Kütleçekim Dalgalarını Kuantum Bilgisayarla Görecek 8 – gelismis ligo kutlecekim dalgalarini kuantum bilgisayarla gorecek 5e0d255094d6f

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi: Bir parçacığın konumu veya momentumunu yüzde yüz kesin bilemeyiz. Konumu ve momentumunu aynı anda aynı kesinlikte bilemeyiz.

Gelişmiş LIGO ne işe yarayacak?

Evrenin oluşumundan kara deliklere uzanan bir çizgide çok işe yarayacak olan en büyük getirilerini kısaca sıralayalım:

  • Nötron yıldızları 2,75 Güneş kütlesinden ağır olamaz. Oysa gördüğümüz en küçük kara delik 3,3 Güneş kütlesinde. Bizim de en hafif kara deliği bulmak için nötron yıldızı çarpışmalarına bakmamız lazım. Bunların yaydığı kütleçekim dalgaları, aradaki kütle açığını kapatan geçiş verileri sağlayabilir.
  • Manyetar ve atarcalar arasındaki ilişkiyi çözmek için manyetik nötron yıldızlarının süper sert kabuğunda görülen depremlerin yarattığı kütleçekim dalgalarını algılayabiliriz.
  • Süpernova halinde patlayan yıldızların yaydığı kütleçekim dalgalarını saptayarak bunların kütlesini daha hassas ölçebiliriz. Bu da süpernova enerjisini daha iyi hesaplayarak süpernova ışığını ve dolayısıyla evrenin genişleme hızıyla büyüklüğünü tespit etmemizi kolaylaştırır.
  • Kara delik birleşmelerinin yaydığı kütleçekim dalgalarına bakarak süper kütleli kara deliklerin, orta boy kara deliklerin birleşmesiyle nasıl oluştuğunu anlayabiliriz. Özellikle yerçekimi mercek etkisi sinyalleri balıkgözü gibi bükerek orta boy kara delik kütlesini ölçmeyi zorlaştırıyor.
  • Oysa yıldız kütleli kara deliklerin orta boy ve süper kütleli kara deliklere nasıl dönüştüğünü bilmemiz gerekiyor. Sonuçta evrendeki kara delik sayısı ve kara delik birleşme sıklığı bellidir. Eldeki veriler ise teoride öngörülenden daha çok sayıda orta boy ve süper kütleli kara delik gösteriyor. Bunu açıklamak için kütleçekim dalgalarını daha hassas ölçmeliyiz.
  • Son olarak sicim teorisi gibi her şeyin teorisi adaylarını test etmek için büyük patlamadan kalan en zayıf ilkin kütleçekim dalgalarına bakmamız gerek; çünkü kütleçekim dalgaları ışık oluşmadan önce ortaya çıktı. Bunlar direkt büyük patlamayı görmemizi sağlayabilir.
Gelişmiş-ligo-kütleçekim-dalgalarını-kuantum-bilgisayarla-görecek

Süpernova patlaması.

Sözün özü

Gelişmiş LIGO bile özellikle sonuncusunu yapacak kadar hassas değildir. Bunun için öncelikle uzaya LISA gözlemevini göndermemiz gerek. Bu LIGO’nun uzayda çalışan versiyonu olacak. Ayrıca nötron yıldızlarının haritasını çıkarmamız gerek. Böylece tüm galaksiyi dev bir kütleçekim dalgası detektörü olarak kullanarak büyük patlamadan kalan ilk dalgaları görebiliriz. Kuantum cımbızın gelecek versiyonları gürültüyü iyice azaltarak buna izin verecektir.

Peki kütleçekim dalgalarına veri kaydedebildiğimizi biliyor musunuz? Özellikle de evrendeki bazı kara delikler bizden önce var olan bir evrenin kalıntısı ise başka evrenlerdeki uzaylılar da bize kütleçekim dalgalarıyla sinyal göndermiş olabilirler. Bu sinyaller sizden önce biz vardık veya biz de komşu evrenden merhaba diyoruz tarzında sinyallerdir.

Hatta uzak galaksilerdeki uygarlıklar kütleçekim dalgalarını kullanarak birbirine sinyal gönderebilirler. Kütleçekim dalgalarıyla çalışan bir kuantum bilgisayar ise evrenin en hassas bilgisayarı olacaktır. Bunu şimdi görebilir ve karanlık enerji ile kütleçekim dalgaları arasındaki ilişkiye de Hubble sabiti zamanla değişiyor mu yazısında bakabilirsiniz. Aydınlık Caddebostan’dan muhteşem bir gün dilerim.

Kütleçekim dalgalarını nasıl saptıyoruz?


1The Sensitivity of the Advanced LIGO Detectors at the Beginning of Gravitational Wave Astronomy
2Optomechanics of Levitated Dielectric Particles (pdf)
3Detecting high-frequency gravitational waves with optically-levitated sensors

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir