천문학

인공 중력파를 만들 수 있습니까?

인공 중력파를 만들 수 있습니까?


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인공적으로 매우 빠른 속도로 회전하는 매우 무거운 물체에서 중력파(시공간에 낮거나 높은 교란 생성)를 생성할 수 있습니까?


일반적인 가속 질량은 중력파를 생성합니다. 그러나 중력은 힘에 너무 약하기 때문에; 현재 / 그럴듯한 근미래 탐지 장치는 중력 적으로 안정된 질량의 퇴화 물질 (즉, 중성자 별 또는 백색 왜성)이 거의 상대 론적 속도로 움직이는 것보다 밀도가 낮은 신호를 탐지 할 수 없습니다.


& # 39 성배 & # 39 방법을 포함하여 우주에서 인공 중력을 만드는 3 가지 방법

우주에서는 무중력이 불편합니다. 도구가 떠 다닙니다. 먹기 더 힘들어요. 화장실을 사용하는 것은 집안일입니다. 말할 것도없이 시간이 지남에 따라 쌓이는 성가신 건강 문제가 있습니다. 근육 위축, 뼈 약화, 시력 악화 등이 있습니다.

공상 과학 텔레비전이 20 세기 중반 (부분적으로 예산과 기술적 제약으로 인해)부터 우리를 보여 주었기 때문에 인공 중력이가는 길입니다. 걸을 수 있는데 왜 떠 다니나요?

이러한 쇼는 종종 미세 중력을 정복하기 위해 먼 미래의 기술을 불러 일으키는 '속임수'를 사용하지만, 인간이 노력에 집중해야 가까운 미래에 달성 할 수있는 몇 가지 방법이 있습니다. 그리고 우리 사이의 열망을 위해, 돌파구가 될 수있는 & # 34 미래 적 & # 34 솔루션도 있습니다.

첫 번째 방법은 매우 간단합니다. 가속도입니다. 엘리베이터를 타고 올라갈 때 처음으로 폭발하는 속도를 생각해보십시오. 바닥에 눕게됩니다. 지속적으로 가속하는 우주선은 가속의 반대 방향으로 중력을 효과적으로 생성합니다. 따라서 목적지를 향해 서서히 가속하는 선박은 지구와는 달리 인공 중력을 유지할 수 있지만 여전히 인체에 대한 스트레스를 완화하고 선박의 내부 생활을 훨씬 더 편리하게 만들 수 있습니다. 여행의 마지막 다리에있을 때 배는 점차적으로 감속하여 인공 중력을 제공 할 수 있습니다.

이 방법의 주요 장애물은 추진 기술의 상태입니다. 강력하고 오래 지속되는 추진기가 필요합니다. 이온의 흐름을 추진하는 전자기 추진기가 여기에서 우리의 가장 좋은 희망일 수 있지만, 현재 상태에서는 의미 있는 차이를 만들기에 거의 충분하지 않은 아주 작은 수준의 인공 중력만 제공할 수 있습니다.

오늘날 의미 있는 차이를 만들 수 있는 것은 또 다른 방법인 구심력입니다. 이것은 인간이 우주에 널리 배치하는 최초의 인공 중력 형태가 될 것입니다. 놀이 공원을 방문한 적이 있다면 이미 구심력이 가장 구역질 나는 형태를 경험했을 것입니다. Gravitron 타기와 다양한 반복에서 당신은 접시 모양의 장치 안으로 올라가 격렬하게 회전하기 시작하면서 벽에 반질반질하게 됩니다. 벽이 구의 중심을 향해 힘을 가하고 있기 때문입니다. 안전 예방 조치를 소홀히 했다면 Gravitron 내부의 원심력 덕분에 옆으로 "서 있을 수 있다는 것을 알게 될 것입니다.

공간에서 Gravitron의 효과를 복제하려면 중심 축을 중심으로 회전하거나 축을 중심으로 회전하는 섹션이있는 일종의 우주선을 만들어야합니다. 메스꺼움을 없애기 위해 우리는 그것을 상당히 크게 만들어야하며, 지구 표면에서 우주로 무언가를 발사해야 할 때 크기가 문제입니다.

구불 구불 한 30 초 속도로 중심을 중심으로 회전하는 구획 내부의 지구 중력을 시뮬레이션하려면 반경 224m가 필요합니다. 더 낮은 중력을 받아들인다면 크기 부담이 줄어들 것입니다.

인공 중력에 구심력을 활용하는 팽창 식 서식지는 비교적 쉽고 저렴하게 배치 할 수 있지만 안전이 가장 큰 걱정거리입니다.

그러나 이러한 성가신 엔지니어링 문제는 급진적인 돌파구를 통해 우회할 수 있으며, 이는 인공 중력에 대한 세 번째 방법을 제시합니다. 천체 물리학자 Ethan Siegel은 Forbes에서 다음과 같이 설명했습니다.

인공 중력을 가질 수 있는 유일한 방법은 우주선 가속의 영향으로부터 보호하고 가속할 필요 없이 지속적으로 아래로 끌어당길 수 있는 방법입니다. 음의 중력 질량의 유형.

지금 이 작업을 수행하는 실험이 있습니다! CERN의 ALPHA 실험은 안정된 형태의 중성 반물질 인 반 수소를 생성했으며 매우 낮은 속도로 다른 모든 입자로부터 분리하기 위해 노력하고 있습니다. 그런 다음 중력장에서 어떤 방향으로 떨어지는 지 측정 할 수 있습니다. 그것이 떨어지면, 정상 물질과 동일하게 양의 중력 질량을 가지며 우리는 중력 전도체를 만드는 데 사용할 수 없습니다. 그러나 중력장에 떨어지면 모든 것이 바뀝니다. 하나의 실험 결과로 인공 중력은 갑자기 물리적 가능성이 될 것입니다.

반물질이 음의 중력 질량을 가지고 있다면, 반물질의 천장과 정상 물질의 바닥을 설치함으로써 우리는 항상 당신을 끌어 당기는 인공 중력장을 만들 수 있습니다. 우리 우주선의 선체로 중력 전도 쉘을 만들면 내부의 모든 사람이 치명적일 수있는 초고속 가속의 힘으로부터 보호 될 것입니다.

CERN에서 ALPHA 실험을 하는 입자 물리학자들은 빠르면 내년에 반물질에 대한 중력 효과를 측정하기를 희망하고 있습니다.

앞으로 몇 년 동안 우주 상업화가 가속화됨에 따라-호텔, 레크리에이션 및 광업을 생각하면-인공 중력에 대한 새로운 관심을 기대할 수 있습니다. 그것은 우리가 우주 공간을 집처럼 조금 더 만들 수 있는 다음 결과일 수 있습니다.


깊은 우주 청취: 지속적인 중력파를 듣기 위한 6000시간의 연구

빠르게 회전하는 중성자별은 연속적인 중력파를 "윙윙거리는" 소리일 수 있습니다. 크레딧: K. Wette.

분실 된 키를 검색 할 때 가능한 여러 전략이 있습니다. 잃어버린 열쇠를 찾기 위해 방에서 방으로 이동하면서 모든 평평한 표면에 눈을 던질 수 있습니다. 물론 이것은 신문 아래에 숨겨져 있거나 소파 뒤에 떨어졌을 때 눈에 잘 띄는 곳에 있다는 가정하에 절대 발견할 수 없습니다. 그렇다면 가장 좋은 전략은 무엇입니까?

과학자들은 빠르게 회전하는 중성자 별에서 중력파(공간과 시간의 구조에 잔물결)를 찾는 과정에서 비슷한 난제에 직면해 있습니다. 이 별들은 우주에서 가장 밀도가 높은 물체이며, 완전한 구형이 아닌 경우 연속적인 중력파의 매우 희미한 "윙윙거리는 소리"를 방출합니다. 이 "윙윙 거리는 소리"를 들으면 과학자들은 중성자 별의 깊은 곳을 들여다보고 그 비밀을 발견하여 가장 극단적 인 물질 상태에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다. 그러나 우리의 매우 민감한 "귀"(강력한 레이저를 사용하는 4km 크기의 감지기)는 아직 아무것도 듣지 못했습니다.

문제의 일부는 누락 된 키와 마찬가지로 과학자들이 최상의 검색 전략을 확신하지 못한다는 것입니다. 대부분의 이전 연구는 가능한 한 많은 다른 장소에서 연속적인 중력파를 찾으려고 노력하면서 "방 간"접근 방식을 취했습니다. 그러나 이것은 당신이 열쇠 모양의 물체를 식별하기 위해 당신의 커피 테이블을 응시하는 데 너무 오래 시간을 보낼 수 있는 것과 같은 방식으로 어느 한 위치에서 중요한 윙윙거리는 소리를 듣는 데 제한된 시간을 할애할 수 있다는 것을 의미합니다. 그리고 "윙윙거리는 소리"는 매우 조용하기 때문에 들리지 않을 가능성이 큽니다.

최근에 발표된 연구에서 호주 국립 대학교의 ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery(OzGrav)의 박사후 연구원 Karl Wette가 이끄는 과학자 팀은 "주방 외에 다른 곳이 어디 있겠습니까?"를 시도했습니다. 접근하다.

Wette는 다음과 같이 설명합니다. "우리는 부분적으로 우리가 이미 펄서에 대해 알고있는 것을 기반으로하여 연속 중력파가있을 수있는 특정 위치에서 교육을 통해 추측했습니다. 펄서는 중성자 별과 같지만 연속 중력파 대신 전파를 내 보냅니다. 우리는 가설을 세웠습니다. 펄서 전파 근처에서 연속적인 중력파가 감지될 것이라고." 잃어버린 열쇠가 핸드백이나 지갑에 가까울 것이라고 추측하는 것과 같습니다.

기존의 관찰 데이터를 사용하여 팀은이 위치 (약 6,000 일의 컴퓨터 사용 시간)에서 희미한 윙윙 거리는 소리를주의 깊게 들으면서 많은 시간을 보냈습니다. 그들은 또한 컴퓨터 게임에 일반적으로 사용되는 전문 전자 장치인 그래픽 처리 장치를 사용하여 알고리즘을 초고속으로 실행했습니다.

"우리 검색은이 위치에 대한 이전 검색보다 훨씬 더 민감했습니다."라고 Wette는 말합니다. "안타깝게도 아무 소리도 들리지 않았기 때문에 이번에는 우리의 추측이 틀렸습니다. 지금은 다시 그림판으로 돌아가지만 계속 듣겠습니다."


인공 중력이 불가능한 이유는 무엇입니까?

회전하는 우주 정거장을 사용하여 중력을 시뮬레이션하는 것과 관련하여 회전 반경과 속도의 일부 조합 만 인간의 생활 조건에 적용 할 수있는 것으로 간주되는 소위 컴포트 존이 있습니다.

조금 읽어도 괜찮다면 http://www.artificial-gravity.com/ 유용한 사이트를 찾을 수 있습니다.

우주선은 지구의 중심보다 그러한 블랙홀에 훨씬 더 가까우므로 질량의 일부만 필요합니다. 예를 들어 블랙홀에서 100m 거리에서 1g을 얻으려면 질량의 약 40억분의 1 또는 약 1.5*1015kg만 필요합니다. 그래도 가속하기에는 여전히 많은 부분이 있으며 불쾌한 중력 변화도 있습니다.

주문의 중력장을 제공하기 위해 주문 거리에서 , 뉴턴의 만유 중력 법칙을 사용하여 필요한 질량을 추론 할 수 있습니다.

는 만유인력 상수입니다.

물체는 반드시 반경이있는 구 안에 있어야하므로 , 물체의 밀도는 다음과 같아야 합니다. ~보다 적지 않은:

즉, 필드를 만들고자하는 거리에 반비례하여 확장됩니다. 물의 밀도 (일반적인 물질의 밀도에 1 차를 뺀 값)가있는 구가 자유 낙하 가속도와 동일한 장을 생성하는 거리를 살펴 보겠습니다.

당연히 이것은 지구의 반지름과 같은 크기입니다. 백만 배 더 작은 실험실 크기의 거리의 경우 물보다 밀도가 백만 배 더 높은 재료가 필요합니다. 다행히 질량은 선형 치수의 제곱으로 확장됩니다. 이것은 물체의 질량이 지구의 질량([itex]M_ = 5.96 times 10 ^ <24> , mathrm[/ itex]), 약 [itex] 6 times 10 ^ <12> , mathrm[/아이텍스]. 평균적인 인간의 체중을 70kg(남녀 간)이라고 가정하면 이 질량은 850억 명의 평균 인간의 총 질량과 같습니다!


"First Second After"& # 8211Gravitational Waves, 빅뱅의 숨겨진 비밀을 밝히다

이론 물리학자인 Dan Hooper의 저자 인 이론 물리학자인 Dan Hooper는“특히 빅뱅 이후의 첫 번째 부분에 관해서는 우리가 심하게 당황한 것은 부인할 수 없습니다. 시간의 가장자리 The Daily Galaxy–Great Discovery Channel에 이메일로 “나는이 초기의 순간이 믿을 수없는 비밀을 가지고 있다는 것은 의심의 여지가 없지만, 우리 우주는 그 비밀을 밀접하게 가지고 있습니다. 그 비밀을 끌어내어 미스터리에서 발견으로 바꾸는 것은 우리에게 달려 있습니다.”

빅뱅 특이점

2015년 9월 14일, 1억 년 이상을 여행한 끝에, 아주 멀리 떨어진 은하계의 대규모 충돌 여진이 마침내 지구에 도달하여 과학자들은 '무한 밀도 상태'라고 불리는 무한 밀도 상태에서 오랫동안 예견된 빛의 왜곡을 감지할 수 있었습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측 한 시간의 시작을 나타내는 빅뱅 특이점과 우주의 첫 번째 이미지 인 중력파 & # 8211 공간 자체의 기하학 자체를 왜곡하는 시공간 구조의 잔물결.

이 잔물결은 공간 곡률의 움직임과 주기적 변화입니다. '태양이 서로 충돌하여 약 13 억 년 전에 합쳐진 것보다 약 29 배와 36 배나 큰 두 개의 거대한 블랙홀이 만들어졌습니다. LIGO-Virgo 협력이라고 하는 두 개의 초고감도 감지기에서 경보를 울리는 것입니다. 첫 번째 발견 이후 지금까지 3번의 관측에서 총 23번의 확인된 중력파 탐지가 이루어졌습니다. 이러한 LIGO 발견은 2017 년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

초고속 인플레이션의 시대

우주에 퍼진 이 장대한 사건이 흩어지고 지속적인 윙윙거림으로 감지되자 행성을 가로질러 날아가는 문자 ​​메시지가 전송되었습니다. 이 발견은 천체 물리학에서 가장 중요한 숫자 중 하나를 획기적으로 측정하는 데 필요한 정보를 제공했습니다. 우주가 팽창하는 속도 인 허블 상수 (Hubble constant) & # 8211 초고속 인플레이션 시대는 여전히 중력파의 배경을 만들었습니다. 오늘날의 모든 공간과 시간과 우주의 암흑 물질의 가능한 근원에 파문이 일어납니다. 암흑 물질이 무엇으로 구성되어 있든간에, Hooper는 이것이 거의 확실하게 빅뱅 이후 1 초 만에 형성되었습니다.

'이 인플레이션 시대는 10 억분의 1 초의 10 억분의 1 초보다 조금 더 오래 지속되었지만,'Hooper는 이렇게 지적합니다. 여러 면에서 인플레이션의 끝은 우리가 살고 있는 우주의 진정한 시작이라고 생각할 수 있습니다.”

빅뱅 이후 몇 분의 1 초

가장 먼 과거에 있고 빅뱅에 가장 가까운 사건은 우리의 시야에서 숨겨져 있으며 아직 뚫을 수없는 에너지, 거리 및 시간 층 아래에 ​​묻혀 있습니다. 그러나 빅뱅 이후 처음 몇 초와 몇 초로 더 거슬러 올라가는 우리는 불완전한 정보에서 자신있게 신뢰할 수있는 직접적인 관찰이없는 것으로 전환한다고 Hooper는 다음과 같이 썼습니다. 시간의 가장자리. 이 우주 역사 시대에 대한 우리의 이해는 많은 측면에서 추론과 외삽에 기반한 정보에 입각 한 추측에 지나지 않습니다. 그러나 이러한 첫 번째 순간이 우리의 가장 시급하고 지속적인 우주 신비의 열쇠라는 것은 분명합니다. 이 시대를 이해하는 것은 우리 우주를 이해하는 데 필수적입니다. & # 8221

물리학자들은 빅뱅 이후 1초의 첫 번째 부분에서 남은 원시 중력파를 언젠가는 볼 수 있을 것이라고 생각합니다. 그러한 파도는 연구자들이 우주의 탄생을 그 어느 때보다도 더 멀리 되돌아볼 수 있게 해 줄 것입니다. 매사추세츠 공과 대학의 Nergis Mavalvala는 "관찰자로서 우리에게 도달하는 가장 이른 빛은 우주의 나이가 380,000년이었을 때 방출되었습니다."라고 말합니다. "반면 중력파는 빅뱅 이후 가장 빠른 순간부터 우리에게 흐르고 있습니다." 그러한 파동의 신호는 너무 약해서 미국의 우주 탐사선이나 유럽의 아인슈타인 망원경과 같은 소위 3세대 중력파 탐지기만이 탐지할 수 있을 것입니다.

& # 8220 현대 우주론은 빅뱅 이후 단 몇 분의 1 초 만에 우주의 확장과 진화를 설명하는 데 믿을 수 없을만큼 성공적이었습니다.하지만 4 개의 근본적인 퍼즐이 남아 있습니다. & # 8221은 후퍼가 말합니다. & # 8220 가장 큰 것은 어둠의 쌍둥이 미스터리입니다. 직접 관찰 된 적이 없지만 우주에있는 모든 물질과 에너지의 95 %를 구성하는 것으로 생각되는 물질과 암흑 에너지입니다. & # 8221

Hooper는 우주에 반물질의 결핍을 포함하여 이러한 미스터리와 다른 미스터리에 대한 답이 빅뱅 후 1초의 첫 번째 부분에 있으며 우주가 팽창하면서 소위 우주 인플레이션 시대를 촉발한다고 믿습니다. 빛의 속도보다 훨씬 빠른 100만분의 10억분의 10억분의 1초 동안 지속되었습니다.”

암흑 물질 입력

Hooper에 따르면, & # 8221 암흑 물질에 대한 우리의 지식은 1850 년대의 공기에 대한 지식과 비슷합니다. 우리는 그것이 존재한다는 것을 알았지 만 그것이 무엇으로 만들어 졌는지는 몰랐습니다. 마찬가지로 천문학 자들은 우리가 볼 수있는 물체에 대한 중력 영향을 바탕으로 암흑 물질의 존재를 추론 할 수 있습니다. 그러나 암흑 물질은 빛과 상호 작용하지 않으므로 "어두움"입니다. 그리고 우리는 그것이 무엇인지 아직 모릅니다.”

암흑 에너지는 훨씬 더 신비롭지만 현대 우주론의 가장 큰 신비 중 하나인 우주의 가속 팽창을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

암흑 에너지의 수수께끼

“우리가 정말로 확실히 알고 있는 것은 우리 우주가 과거보다 오늘날 더 빠르게 팽창하고 있다는 것입니다. 우주가 일반 물질이나 빛과 같은 것들로만 가득 차 있다면 그것은 우리가 아인슈타인의 상대성 이론을 사용하여 설명 할 수없는 것입니다.”Hooper가 말했습니다. "시간이 지남에 따라 우주 또는 공간이 더 빨리 성장하도록하려면 공간을 차지하고 공간이 확장 될 때 희석되지 않는 에너지 형태 인 다른 것이 정말로 필요합니다."

"우주가 시간이 지남에 따라 더 빨라지고 있다는 사실을 알게 된 것은 야구를 던지고 로켓이 발사되는 것을보고 지구에서 멀어지는 것을 보는 것만큼이나 놀라운 일입니다."과학자가 암흑 에너지라고 믿는 현상에 대해 Hooper가 말했습니다. “그 야구 공을 위로 밀어 올리려면 추가 작업이 필요합니다. 그리고 우리 우주의 경우, 우리 우주를 더 빨리 성장 시키려면 암흑 에너지와 같은 추가적인 것이 필요합니다.”

“우리 우주에 대해 우리가 볼 수있는 것들이 있습니다. 적어도 지금은 설명 할 수없는 것들이 있습니다. 우리 우주 역사에서 아주 아주 초기에 우주가 거대한 갑작스런 폭발로 극적으로 확장 된 시대가 있었다고 가정한다면, ”Hooper가 말했다. “이것은 당신이 머리를 감쌀 수있는 것보다 더 큰 숫자이지만 당신은 우주가 아주 작은 공간에서 거의 즉시 광대하고 광대 한 부피로 성장하는 것을 생각할 수 있습니다. 그것이 사실이고 많은 우주론자들이 그것이 사실일 가능성이 매우 높다고 생각한다면 빅뱅은 한 번만 일어난 것이 아니라 어떤 의미에서 이 팽창하는 공간은 이러한 종류의 거품 우주를 차례로 터뜨립니다.”

고대 블랙홀은 숨겨진 물리학에 대한 접근을 제공 할 것입니다

원시 블랙홀(PBH)은 우주에서 대부분의 물질을 구성하는 보이지 않는 미확인 물질인 암흑 물질의 다크호스 후보로 간주되는 이전에 본 적이 없는 물체입니다. 최근 LIGO 관측에서 확인 된 질량 불일치, LIGO에 의해 관측 된 병합 물체의 측정 된 질량과 은하수 은하와 다른 인근 은하에서 기존의 방법으로 관측 된 블랙홀의 질량 사이.

후퍼는 데일리 갤럭시에 보낸 이메일에서 "고대 블랙홀은 우리가 달리 할 수 ​​없었던 물리학에 대한 접근을 제공할 것"이라고 썼다. 원시 블랙홀이 진짜라면 우주 구조의 중추로 간주되는 암흑 물질의 신비가 아니라 우주론의 가장 큰 문제를 해결할 수있는 잠재력이있을 것입니다.

어쨌든 반물질보다 더 많은 물질이 우리 우주 역사의 1 초 초에 만들어 졌음에 틀림 없다고 Hooper는 썼다. & # 8220 우리는 이것이 언제 어떻게 이루어 졌는지, 어떤 메커니즘이 원인인지 모릅니다. 그러나 어떻게 든 초기 우주의 조건에 관한 무언가가 원자의 씨앗과 생명을 포함한 모든 화학이 빅뱅의 열기에서 살아남을 수있게했습니다. & # 8221

Stephen Hawking & # 8217s 원시 블랙홀

거의 반세기 전에 우주 학자 스티븐 호킹은 PBH가 특히 물질이 밀집된 유아 우주의 영역에서 완전히 형성 될 수 있다고 제안했습니다. “우주에 있는 원시 블랙홀의 평균 밀도는 입방 광년당 약 200개 미만이어야 합니다”” 호킹은 제안했습니다. 블랙홀과 아기 우주. 원시 블랙홀이 은하의 "후광"(각 은하가 포함되어 있는 빠르게 움직이는 별의 얇은 구름)에 균일하게 분포되어 있지 않고 집중되어 있다면 우리 은하의 국소 밀도는 이 수치보다 백만 배 더 높을 수 있습니다 우주 전역. 이것은 지구에 가장 가까운 원시 블랙홀이 아마도 적어도 명왕성만큼 멀리 떨어져 있다는 것을 의미합니다.”

아주 초기 우주의 밀도 변동

호킹의 제안 이후 천체 물리학 자와 우주 학자 사이에서이 아이디어의 인기는 급격히 떨어지고 약해졌습니다. 오늘날, 그들의 존재에 대한 직접적인 증거가없는 상황에서, 과학계 미국인 Nola Taylor Redd는 초기 우주의 밀도 변동으로 형성되었다고 이론화 된이 고대 블랙홀이 오늘날에도 존재할 수 있으며 확인 된 질량 불일치를 설명 할 수 있다고보고합니다. 최근의 LIGO 관측에서 많은 연구자들은 이 관측을 관측에 쉽게 맞는 다른 시나리오가 없을 때만 고려되는 최후 수단의 가설로 간주합니다. 그러나 PBH가 우주 전체에 실제로 존재하고 널리 퍼져 있을 가능성은 아직 무시할 수 없습니다. 특히 다른 암흑 물질 후보에 대한 검색이 비어 있기 때문입니다.

MIT Kavli 천체 물리학 및 우주 연구 연구소의 연구 과학자인 Avi Shporer와 함께하는 Daily Galaxy – 천문학자들은 빅뱅에서 블랙홀을 발견했습니까? 댄 후퍼, 시간의 가장자리(킨들 에디션) 스티븐 호킹, 블랙홀과 베이비 유니버스 (킨들 에디션). Avi는 이전에 JPL (Jet Propulsion Laboratory)의 NASA Sagan Fellow였습니다.

이미지 크레딧 : LIGO Observatory

Galaxy Report 뉴스 레터는 우리 존재의 미스터리에 대한 단서를 제공하고 현재 인류 세 시대에 필요한 우주적 관점을 추가 할 수있는 공간과 과학에 대한 주 2 회 뉴스를 제공합니다.


GW 천문학을위한 압착 조명

GW 천문학을 위한 레이저 간섭계는 양자 계측을 포함한 모든 사용 가능한 도구가 정교한 측정 장치에 결합된 경우에만 달성할 수 있는 극도의 감도 요구 사항에 직면해 있습니다. 보다 최근에는 압착된 빛도 양자 정보 처리를 위한 자원으로 제안되었습니다53,54,55,56. 그 이후로 압착 된 빛은 양자 순간 이동 57,58, 양자 컴퓨팅을위한 광학적 'Schrödinger cat'상태 생성 및 양자 물리학에 대한 기본 연구 59,60와 같은 다양한 원리 증명 시연의 중심이되었습니다.

압착된 빛은 비선형 상호 작용에서 생성되어야 합니다. Squeezed light는 1985 년 Slusher에서 처음 생산되었습니다. . 39 광학 공동에서 Na 원자의 4 파 혼합을 사용합니다. 잠시 후, 광섬유(61)에서 4파 혼합에 의해 그리고 2차 비선형 재료(62)를 포함하는 광학 공동에서 파라메트릭 하향 변환에 의해 압축된 광도 생성되었습니다. 이 첫 번째 실험에서 수 퍼센트에서 2 ~ 3dB의 압착이 일상적으로 관찰되었습니다 (이전 실험의 개요와 연속파 및 펄스 영역에서 압착 된 광 생성에 대해서는 참고 문헌 63 참조).

GW 검출기는 가우시안 TEM의 공간 분포가 거의 푸리에 제한적인 고출력 준 단색 연속파 레이저 광으로 작동됩니다.00 방법. 비고전적인 감도 개선을 위해, 정확히 동일한 시공간 모드에서 압축된 빛이 생성되어야 하고 간섭계의 중앙 빔 스플리터에서 고출력 코히어런트 레이저 빔과 간섭을 제공하는 간섭계(29)의 출력 포트에 모드가 일치해야 합니다. GW 천문학을 위한 고출력 레이저는 공진기(24)에서 광학적으로 펌핑된 고체 상태 결정을 기반으로 하며, 이는 '압축 광 공진기'에 대한 유사한 구성을 암시합니다. 도 7a는 최초의 압착 실험 (62) 중 하나를 기반으로 구축 된 압착 된 빛의 생성을위한 개략적 설정을 보여 주며, 이후 많은 실험에서 57,58,64,65에 사용되었습니다. 이 설정은 고출력 시스템에서 마스터 레이저로 사용되는 것과 유사한 고체 레이저를 사용합니다. 공간 모드 필터링 후, 2차 비선형 결정을 포함하는 광학 공동에서 2차 고조파 생성이 적용되어 광학 주파수의 두 배인 레이저 광을 생성합니다. 두 번째 고조파 광은 압축 공진기에 모드 매칭되어 퇴화 광학 파라 메트릭 증폭기를 펌핑합니다.

() GW 검출기 파장의 연속파 레이저 빔은 먼저 공간적으로 필터링 된 다음 절반 파장의 필드로 상향 변환됩니다 (2 차 고조파 생성, SHG). 그런 다음이 빔은 '압착 공진기'에 모드 매칭되어 상향 변환 된 광자의 작은 부분이 OPA (Optical Parametric Amplification)에 의해 자연스럽게 하향 변환되어 압착 된 진공 상태를 생성합니다. 압착 계수는 균형 잡힌 호모 다인 검출기 (BHD)에 의해 검증됩니다. SHG와 OPA는 비선형 결정(), 여기에 6mm 길이의 MgO : LiNbO3 크리스탈, 광학 공진기 내부 () 외부 캐비티 미러와 유전체 코팅 된 크리스탈 후면에 의해 형성됩니다. 두 개의 비선형 공진기는 동일한 방식으로 구성 될 수 있으며 온도 안정화 하우징 (). , AEI의 허가를 받아 복제됩니다.

그림 7b–d는 비선형 크리스탈, 광학 배열 및 압착 공진기의 하우징 사진을 보여줍니다. 크리스탈은 위상 일치 온도에서 온도가 안정화됩니다. 이 온도에서 펌프에 대한 복굴절 결정 물질의 1차 유전체 분극은 기본 레이저 주파수에서 공진기 모드의 2차 유전체 분극과 최적으로 중첩됩니다. 이를 통해 펌프 필드에서 기본 가우스 TEM으로 높은 에너지 전달이 보장됩니다.00 공진기 모드, 즉 효율적인 파라 메트릭 다운 컨버전.

초기에 공진기 모드는 기본 주파수 주변의 광자에 의해 여기되지 않습니다. 즉, 0 점 에너지 (34)로 인한 진공 변동을 특징으로하는 접지 상태에 있습니다. 공정은 펌프 (66)로부터의 위상 노이즈 커플 링을 감소시키기 위해 일반적으로 진동 임계 값 아래에서 작동된다는 점에 유의한다. 이 설정은 압착 된 진공 상태 (34)를 생성합니다. 압착 공진기를 떠나는 하향 변환된 광자 쌍은 밝은 간섭성 국부 발진기 빔과 중첩될 때 압착된 광자 계수 노이즈를 발생시키는 양자 상관 관계를 나타냅니다. 압착된 필드는 평형 호모다인 검출기(그림 7a 참조)에서 간섭성 국부 발진기 빔으로 간섭하여 검출되거나 GW 검출기에 주입되고 간섭 위상 신호와 함께 GW 검출기의 국부 발진기로 검출될 때 검출됩니다. 그림 6b를 참조하십시오. 압착 공진기가 발진 임계값에 가까울수록 작동되고 하향 변환된 광자 쌍의 광학 손실이 낮을수록 압착 계수가 커집니다. 예를 들어, 압착 계수 2의 관찰은 전체 광학 손실이 & lt50 % 63 인 경우에만 가능합니다. 90% 비고전적 노이즈 감소, 즉 10 또는 10dB의 압축 계수는 이미 허용된 광 손실을 <10%로 제한합니다.

압착 된 빛은 첫 번째 응용 프로그램이 39,61,62 제안 된 직후 1980 년대에 시연되었지만, 압착 상태를 GW 검출기에 적용하는 것과 관련된 몇 가지 중요한 문제는 최근까지 해결되지 않았습니다.

첫째, 레이저 광의 기술적 노이즈 소스가 존재하지 않는 메가 헤르츠 주파수에서 압착이 항상 입증되었습니다. 이 주파수에서 레이저는 샷 노이즈 한계 또는 그 근처에서 작동합니다. 지상파 GW 감지기가 작동하는 10Hz ~ 10kHz 대역에서는 기술 노이즈가 가려지고 압착 관찰이 압도되었습니다. 예를 들어, 레이저 이완 진동과 음향 장애 및 열 변동은 샷 노이즈보다 훨씬 더 클 수 있습니다. 최근까지 레이저 필드가 압축되어 GW의 느린 진동 주기와 일치하는지 확실하지 않았습니다. 둘째, 압축된 빛이 신호 재활용과 같이 GW 감지기에 사용되는 다른 매우 정교한 기술과 완전히 호환되는지 여부는 이전에 알려지지 않았습니다. 셋째, 큰 스퀴즈 팩터로 안정적이고 강력한 스 퀴징을 안정적으로 생산할 수있는 기술이 부족했습니다. 강한 압박을 장기간 관찰하는 것은 최근까지 기술적인 도전이었습니다.

이러한 과제는 지난 10년 동안 모두 극복되었습니다. 모든 열린 질문이 이제 만족스럽게 해결되었습니다. 이 개발은 많은 알려진 고급 고전 간섭계 기술이 거의 소진 되었기 때문에 매우시기 적절합니다. 남아있는 많은 기존 개선 사항은 구현하기가 점점 더 어려워지고 비용이 많이 듭니다.

오디오 밴드의 압착 생성

오디오 대역에서 압착을 달성하는 데있어 주요 돌파구는 압착 된 광 레이저 공진기의 길이를 제어하는 ​​데 사용되는 일관된 레이저 필드를 통해 압착 된 광 생성을 저하시키는 오디오 주파수에서 지배적 인 노이즈가 결합하는 반면, 두 번째 고조파 펌프 필드는 중요하지 않습니다 67,68. 이것은 200Hz 69까지의 주파수에서 압축되는 오디오 밴드의 첫 번째 데모로 이어졌습니다 (그림 8a 참조). 여기에서, 압착 공진기의 길이는 압착 자체의 위상 감도 (양자 잡음 잠금 (70)로 알려진 기술)를 사용하여 밝은 제어 빔없이 안정화되었습니다. 그 후, 압착 공진기 길이와 압착 각도 (34)를 동시에 제어하기위한 코 히어 런트 빔 제어 방식 (71)이 발명되었다. 얼마 지나지 않아 다른 소음원이 식별되고 완화되어 오디오 대역 전체에서 6dB 이상을 1Hz 72까지 압축 할 수있었습니다. 이 노이즈 소스는 주 레이저 빔에서 산란되어 잠재적 산란 표면의 열팽창과 진동으로 인한 주파수 변화를 경험 한 후 오디오 밴드 압착 모드로 재 산란 된 적은 수의 광자 때문에 발생하며, 이는 기생 간섭으로 알려진 효과입니다. . 밝은 레이저 빔을 완전히 피할 수 없기 때문에 오디오 밴드 압축 생성을 위한 방법은 다음 4가지로 밝혀졌습니다. 초정밀 광택 광학을 사용하여 산란 방지, 불완전한 반사 방지 표면으로 인한 잔여 희미한 빔을 조심스럽게 차단하여 재산란 방지 , 잠재적으로 재산란 표면으로 작용할 수있는 모든 기계 부품의 진동 및 열적으로 여기 된 운동을 줄이고 포인팅 변동을 방지합니다 73.

두 패널 모두 (i) 및 '압착'(ii)없이 측정 된 잡음 전력의 스펙트럼 분석을 보여줍니다. 트레이스(i)의 수평 섹션은 각각 기준 레벨(0dB) 역할을 하는 샷 노이즈에 해당합니다. () 약 200Hz로 압축되는 최초의 오디오 대역은 McKenzie가 시연했습니다. et al. 2004 년 69. 허가를 받아 ref. 69 (©2004 미국 물리 학회). () Current best performance of a squeezed light laser for GW detection shows an up to 9 dB squeezed noise over the complete detection band of ground-based GW detectors 85 . Reproduced, with permission, from ref. 85 .

Compatibility of squeezing with other interferometer techniques

Current detectors achieve their exquisite sensitivity to GWs because of their kilometre-scale arm lengths, the enormous light powers circulating in the enhancement resonators (arm, power- and signal-recycling cavities) and sophisticated pendulum suspensions that isolate the test-mass mirrors from the environment (Figure 3). When these techniques were developed, squeezing was not envisioned to become an integrated part of such a system. Building on existing theoretical work 74,75 , a series of experimental demonstrations of squeezed state injection into GW detectors were carried out. These included compatibility with power recycling, signal recycling 76,77 and with the dynamical system of suspended, quasi-free mirrors 78,79 .

Generation of strong squeezing

Squeezing has significant impact in quantum metrology if large squeezing factors can be produced. Squeezing of 3 dB improves the signal-to-noise ratio by a factor of , equivalent to doubling the power of the coherent laser input. Squeezing of 10 dB corresponds to a 10-fold power increase. Remarkably, the experimentally demonstrated squeezing factors have virtually exploded in recent years 80,81,82 , culminating in values as large as 12.7 dB 83 . All the squeezing factors above 10 dB were observed with monolithic resonators and at MHz frequencies. However, reduced optical loss in non-monolithic resonators and a careful elimination of parasitic interferences should in principle enable such factors also in the GW band. An 8 to 10 dB improvement based on strong squeezing seems realistic for future GW detectors in their shot-noise-limited band 83 .

The first squeezed light laser for GW detection

On the basis of the previous achievements reviewed here, very recently, the first squeezed light laser for the continuous operation in GW detectors was designed and completed 84,85 . Up to 9 dB of squeezing over the entire GW detection band has been demonstrated (Figure 8b). This laser produces squeezed vacuum states and is fully controlled via co-propagating frequency-shifted bright control beams. This 9 dB squeezing factor is limited by technical effects: the squeezing resonator has to have an adjustable air gap to allow for an easy way to apply length control. The anti-reflection coated surface in the resonator introduces additional loss and reduces the escape efficiency. Moreover, a Faraday isolator has to be used in the squeezed beam path in order to eliminate parasitic interferences. This rotator produces a single-pass photon loss of about 2%. This squeezed light source is designated for continuous operation in the GEO600 GW detector. A squeezed light source based on a design that should have less sensitivity to retro-scattered light 86 is being prepared for deployment on one of the most sensitive detectors, the 4 km LIGO detector in Hanford, Washington.


Gravitational Waves Could Be Leaving Some Weird Lasting Effects in Their Wake

The faint, flickering distortions of space-time we call gravitational waves are tricky to detect, and we've only managed to do so in recent years. But now scientists have calculated that these waves may leave more persistent traces of their passing - traces we may 또한 be able to detect.

Such traces are called 'persistent gravitational wave observables', and in a new paper, an international team of researchers has refined the mathematical framework for defining them. In the process, they give three examples of what these observables could be.

Here's the quick lowdown on gravitational waves: When two massive objects such as neutron stars or black holes collide, they send shockwaves through the Universe, rippling the very fabric of space-time itself. This effect was predicted by Einstein in his theory of general relativity in 1916, but it wasn't until 2015 that we finally had equipment sensitive enough to detect the ripples.

That equipment is an interferometer that shoots two or more laser beams down arms that are several kilometres in length. The wavelengths of these laser beams interfere to cancel each other out, so, normally, no light hits the instrument's photodetectors.

But when a gravitational wave hits, the warping of space-time causes these laser beams to oscillate, shrinking and stretching. This means that their interference pattern is disrupted, and they no longer cancel each other out - so the laser hits the photodetector. The pattern of the light that hits can tell scientists about the event that created the wave.

But that shrinking and stretching and warping of space-time, according to astrophysicist Éanna Flanagan of Cornell University and colleagues, could be having a much longer-lasting effect.

As the ripples in space-time propagate, they can change the velocity, acceleration, trajectories and relative positions of objects and particles in their way - and these features don't immediately return to normal afterwards, making them potentially observable.

Particles, for instance, disturbed by a burst of gravitational waves, could show changes. In their new framework, the research team mathematically detailed changes that could occur in the rotation rate of a spinning particle, as well as its acceleration and velocity.

Another of these persistent gravitational wave observables involves a similar effect to time dilation, whereby a strong gravitational field slows time.

Because gravitational waves warp both space time, two extremely precise and synchronised clocks in different locations, such as atomic clocks, could be affected by gravitational waves, showing different times after the waves have passed.

Finally, the gravitational waves could actually permanently shift the relative positions in the mirrors of a gravitational wave interferometer - not by much, but enough to be detectable.

Between its first detection in 2015 and last year, the LIGO-Virgo gravitational wave collaboration detected a handful of events before LIGO was taken offline for upgrades.

At the moment, there are not enough detections in the bank for a meaningful statistical database to test these observables.

But LIGO-Virgo was switched back on on 1 April, and since then has been detecting at least one gravitational wave event per week.

The field of gravitational wave astronomy is heating up, space scientists are itching to test new mathematical calculations and frameworks, and it won't be long before we're positively swimming in data.


Rediscovering the universe with gravitational waves

I would say yes, without a doubt! The first detection of gravitational waves in 2015 was a beautiful signal in its own right. One of my friends even had the signal tattooed onto his arm. But the important thing is that we’re experiencing the start of an entirely new field of astronomy – one unlike anything we’ve seen before. It’s also worth remembering that relative to other Big Science projects, the cost of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or LIGO, is quite modest. The International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) and the Large Hadron Collider (LHC), for example, cost over ten billion dollars each. LIGO only cost 1.2 billion dollars, spread over almost 30 years.

So what do we get for those 1.2 billion dollars?

We can now start to use gravitational waves to probe high-energy physics regimes that we’ve never had access to before, such as mergers of black holes or neutron stars. And when you combine that with electromagnetic observations of the universe to create multi-messenger astronomy, the science becomes even richer.

What do you hope to learn from this research?

There’s a lot of science to be gained from examining the collisions of neutron stars. The pressures and densities of these events are far beyond what we can achieve on Earth. Gravitational waves give us a laboratory to explore physics beyond anything we could hope to achieve on our own planet. Of course, we still want to explore binary black hole systems and their population in the universe. And the question we’re asking ourselves is whether there are dark matter candidates lurking in our gravitational wave signals. Could we be on the verge of discovering something completely unexpected? Something beyond anything we’ve imagined?

What do you mean by that?

It seems to be a universal law in science that brand-new technologies inevitably bring new surprises in terms of our understanding of the universe. And it’s a relatively safe bet to say that gravitational waves are going to reveal plenty of surprises, both big and small. We’ve barely scratched the surface yet.

In 2017 you detected gravitational waves from a merger of neutron stars 130 million light years away. Can you describe how it feels to arrive at work one day and suddenly experience something like that?

“Sudden” is exactly the right way to describe it. There’s no warning. You think you’re having a normal day and then “bang!” – suddenly there’s a signal alert. On that day, I had just arrived at the office. I made myself a coffee and planned, as usual, to check our event database which is normally just a long list of glitches. But suddenly my colleague rushed in and said there was something totally new in there. The signal was at least 20 seconds long – very different to anything we had seen before. At the same time, satellites had detected a large burst of gamma rays. We were all on a massive high for the next 24 hours, but then the news got even better: Our electromagnetic telescope partners had used our rough localization and found the exact source in the sky – a bright new object that hadn’t been there days beforehand. Seventy telescopes turned to look at that object – all because of our signal! It was an exhilarating feeling.


Defining Gravity

Gravity is the force of attraction that two objects exert on each other. The magnitude of this force increases as the bodies become more massive, and decreases if the bodies move further away from each other. Also, gravitational force always acts in a direction that tries to bring the two objects closer together. Ultimately, gravity is a force that can only bring two objects together, not drive them apart. It doesn&rsquot require the two objects to be in actual contact and is always active (varied in magnitude) for each and every pair of objects in the universe without exception.


Artificial intelligence is helping astronomers discover new planets

Forget self-driving cars and computers that can beat humans at chess, artificial intelligence is helping astronomers make huge steps towards solving some of the Universe’s biggest mysteries.

For the first time, artificial intelligence has been used to discover two new exoplanets. One of the discoveries, made by Nasa’s Kepler mission, brings the Kepler-90 solar system to a total of 8 planets - the first solar system found with the same number as our own.

The majority of exoplanets are discovered using what is called the transit method. Telescopes are pointed at stars, studying them over long periods of time, which means they can look out for tiny dips in the brightness as a planet passes in front.

Instead of looking at pictures, the presence of planets tends to be discovered by studying the large amounts of data taken from the telescope – related to the brightness of an image. When a solar system has more than one planet, the dips in brightness occur in complicated patterns, from which the planets’ masses and distance from their star can be worked out.

At the moment, the dips in brightness are spotted using automated computer tasks, and sometimes just the human eye.

Like most tasks involving complicated data, machine learning has proved to be helpful in deciphering these patterns. In the latest discovery, researchers trained computers to sift through the data and spot tiny dips in brightness that had previously been unnoticed.

Christopher Shallue, a senior software engineer with Google’s research team Google AI, and Andrew Vanderburg, astronomer at The University of Texas, Austin, trained a computer to learn how to identify exoplanets in the light readings recorded by Kepler. They used 15,000 signals to train the machines using a neural network, which mimics the way the brain works.

“In my spare time, I started Googling for ‘finding exoplanets with large data sets’ and found out about the Kepler mission and the huge data set available,” says Shallue. "Machine learning really shines in situations where there is so much data that humans can't search it for themselves.” There are 35,000 possible planetary signals in the data Kepler gathered over its four-year period of operation.

The neural network Shallue came up with can identify planets with a 96 per cent accuracy. Although it does find some false-positives, within those it picks out there are lots of potentially real planets – like the eight member of Kepler-90i, which lies 2,545 light-years from Earth. The second exoplanet confirmed to be found with this method is a sixth planet in the Kepler-80 system.

“Just as we expected, there are exciting discoveries lurking in our archived Kepler data, waiting for the right tool or technology to unearth them,” said Paul Hertz, director of Nasa’s Astrophysics Division. “This finding shows that our data will be a treasure trove available to innovative researchers for years to come.”

Finding exoplanets is by no means the only astronomy task machine learning is helping out with. In fact, most of the biggest questions in astronomy right now are being tackled with the help of AI.

Take the search for planet nine, a mysterious planet predicted to lie on the outermost part of our own solar system. While the presence of the planet has not been confirmed yet, the observations that led to the prediction have not been adequately explained by any other theories. “Machine learning could definitely help the search for planet 9, and likely already is,” says Vanderburg.

One of the biggest breakthroughs in machine learning for astronomy was the ability to spot objects that suddenly appear or disappear, in large sets of observational data. In a paper in 2015 a group of astronomers made the first steps towards using AI for this purpose. This kind of AI could be useful for finding planet nine, or other new objects.



코멘트:

  1. Mishura

    나는이 문제에 정통했다. 포럼 초대.

  2. Guzilkree

    이 멋진 게시물에 대한 작성자에게 감사합니다!

  3. Kajira

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  4. Kazishicage

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  5. Dudon

    Change sows confusion, constancy - boredom

  6. Nele

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  7. Thai

    브라보, 문장으로 ... 또 다른 아이디어

  8. Lindley

    무슨 단어 ... 공상 과학 소설



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