LIGO'nun ışın bölücülerine birkaç atom hassasiyetinde kaplama

Kütleçekim dalgalarını yakalamak, insanın bugüne kadar yaptığı en hassas ölçümlerden birini gerektiriyor. Avustralya Ulusal Üniversitesi'nden (ANU) bir ekip, bu ölçümün kalbinde yer alan iki ışın bölücü için yeni optik kaplamalar geliştirdi. Üç yıl süren çalışmanın ürünü olan parçalar, uluslararası LIGO gözlemevinin yükseltilmiş dedektörlerinde kullanılacak.

Ne yapıldı?

Her ışın bölücü, dünyanın en saf camlarından üretilmiş, 45 santimetre çapında ve 20 kilogramdan ağır bir disk. Diskin bir yüzündeki kaplama, lazer ışınını tam ortadan, yüzde 50'ye 50 oranında ikiye bölüyor. Diğer yüzdeki kaplama ise ışığı neredeyse hiç yansıtmayacak biçimde tasarlandı; amaç istenmeyen yansımaların yarattığı girişimi bastırmak ve dedektörün duyarlılığını artırmak. Bu yansıma önleyici kaplama, sıradan bir gözlük camındaki kaplamadan 1.000 kat daha etkili.

ANU'daki Kütleçekim Astrofiziği Merkezi'nin yöneticisi Prof. Robert Ward, camın yarım metreye yakın yüzeyi boyunca kaplama kalınlığını bir iki nanometre içinde tuttuklarını anlatıyor. Bu, bir kenardan diğerine yalnızca birkaç atomluk fark demek. ANU Fizik Okulu'ndan ve Avustralya Ulusal Üretim Tesisi'nin (ANFF) OptoFab ACT biriminin yöneticisi Prof. Steve Madden, bunun üç yıl süren çok zorlu bir araştırma-geliştirme sürecinin sonucu olduğunu vurguluyor.

Hazır makine yetmedi

Bu düzeyde hassasiyet piyasadaki ekipmanla elde edilemediği için ekip kendi araçlarını kurmak zorunda kaldı. Kaplama, temizlik, ölçüm ve parçaların taşınması için, camlara insan eli değmeden çalışan sekiz özel otomatik sistem geliştirildi. Tüm iş, ANU Fizik Okulu'nun yeni temiz odasında yürütüldü; bu odanın temizlik standardı gelişmiş yarı iletken üretim tesisleriyle aynı düzeyde. Ekipten Deon Hickey, dedektöre giren her bileşenin mutlak sınırına kadar zorlandığını söylüyor. ANU, kütleçekim dalgası dedektörlerinin istediği kalitede bu kaplamaları üretebilen dünyadaki yalnızca iki gruptan biri.

Kütleçekim dalgaları nedir?

Kütleçekim dalgaları, Albert Einstein'ın genel görelilik kuramından çıkan ve bir asırdan uzun süre önce öngörülen, uzay-zamanın kendisindeki küçücük dalgalanmalar. Birbirinin çevresinde dönüp birleşen kara delikler ya da nötron yıldızları gibi evrenin en şiddetli olayları bu dalgaları üretiyor. Dalgalar Dünya'ya ulaştığında o kadar zayıflamış oluyor ki, yol açtıkları mesafe değişimi bir insan saçının genişliğinin milyarda birinin milyonda biri düzeyinde kalıyor.

LIGO bu değişimi ölçmek için iki dev lazer girişimölçeri kullanıyor. Biri ABD'nin Washington eyaletindeki Hanford'da, diğeri Louisiana eyaletindeki Livingston'da bulunan ve aralarında yaklaşık 3.000 kilometre olan iki tesisin her biri, birbirine dik uzanan 4'er kilometrelik iki koldan oluşuyor. Işın bölücü tam bu kolların kesiştiği noktada duruyor: Lazer ışınını ikiye ayırıp iki kola gönderiyor, geri dönen ışınları yeniden birleştiriyor. Bir kütleçekim dalgası geçtiğinde kollardan biri çok az uzarken diğeri kısalıyor ve birleşen ışığın girişim deseni değişiyor. Işın bölücüdeki en küçük kusur bile bu deseni bozarak gürültü yaratabileceği için kaplamanın kusursuz olması gerekiyor.

On yıllık bir başarı öyküsü

LIGO, ilk doğrudan kütleçekim dalgası tespitini 14 Eylül 2015'te, iki kara deliğin birleşmesinden gelen GW150914 sinyaliyle yaptı. Bu buluş 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü Rainer Weiss, Kip Thorne ve Barry Barish'e kazandırdı. Aynı yıl iki nötron yıldızının birleşmesi hem kütleçekim dalgalarıyla hem de ışıkla gözlenerek çoklu ulak gökbiliminin kapısını açtı.

LIGO o zamandan bu yana dönemler halinde gözlem yapıyor. Dördüncü gözlem dönemi 24 Mayıs 2023'te başladı ve 18 Kasım 2025'te sona erdi; bu dönemde dedektörler, çift nötron yıldızı birleşmelerini yaklaşık 160-190 megaparseklik uzaklığa kadar algılayabiliyordu. LIGO, İtalya'daki Virgo ve Japonya'daki KAGRA dedektörleriyle ortak bir ağ olarak çalışıyor. Hindistan'da kurulacak LIGO-India'nın inşaatı ise Nisan 2026'da resmen başladı.

Avustralya'nın katkısı

Avustralya'nın LIGO'ya katkısı, Avustralya Araştırma Konseyi'nin kütleçekim dalgaları alanındaki mükemmeliyet merkezi OzGrav aracılığıyla koordine ediliyor. ANU, kütleçekim dalgası araştırmalarında uzun süredir hassas optik ve lazer teknolojisi alanında öne çıkan kurumlardan biri.

Sırada ne var?

Yeni ışın bölücülerin yer alacağı yükseltilmiş dedektörlerin daha uzaktaki ve daha zayıf sinyalleri de yakalaması, böylece daha fazla birleşme olayı bulması bekleniyor. Bu, kara deliklerin ve nötron yıldızlarının nasıl oluştuğu, evrenin genişleme hızı ve ağır elementlerin kökeni gibi sorulara daha çok veriyle yaklaşmak anlamına geliyor. Beşinci gözlem döneminin takvimi hâlâ netleşmiş değil; şimdilik 2029 ve sonrası öngörülüyor.

Kısaca

• ANU, LIGO için iki ışın bölücüyü üç yıllık çalışmayla kapladı.
• Her disk 45 santimetre çapında ve 20 kilogramdan ağır.
• Kaplama kalınlığı yüzey boyunca bir iki nanometre içinde tutuldu.
• Yansıma önleyici kaplama, gözlük camı kaplamasından 1.000 kat etkili.