İnterferometreler çok çeşitli bilimsel ve teknik disiplinlerde kullanılan araştırma araçlarıdır. Ölçülebilen ve incelenebilen bir girişim deseni üretmek için iki veya daha fazla ışık kaynağını birleştirme yeteneklerinin bir sonucu olarak, interferometre olarak bilinirler. İnterferometreler, incelenen nesne veya olgu hakkında ayrıntıları ortaya çıkaran girişim desenleri üretir. Sıklıkla, başka bir şekilde yapılması imkansız olan inanılmaz derecede küçük ölçümler almak için kullanılırlar. LIGO’nun interferometreleri, bir protonun 1/10.000’i genişliğindeki bir mesafeyi ölçebilme yeteneklerinin bir sonucu olarak, yerçekimi dalgalarını tespit etmede çok etkilidir!
Aralarında Hippolyte Fizeau, Martin Hoek, Éleuthère Mascart, George Biddell Airy ve Eduard Ketteler’in de bulunduğu pek çok bilim insanı 1800’lerin ortalarından sonlarına kadar ışığın çeşitli ortamlardaki, özellikle de hareketli ortamlardaki (hava ve su bunun için kullanılan başlıca ortamlardı, ardından diğerleri geldi) hızını ölçmek amacıyla interferometreler icat etti. (akan su gibi). Bu çalışma, ışığın içinden geçtiği ortamın ışığın dalga özelliklerini nasıl etkilediğini anlamaya yönelik bir araştırmanın bileşeniydi.
Dönemin bilim insanları, her şeye nüfuz eden ve yalnızca ışık dalgalarının yayılması için bir ortam görevi gören şekilsiz bir madde olan “ışıklı eter “in varlığını öne sürdüler. Bu fikir, tüm dalgaların yayılmak için bir ortama ihtiyaç duyduğu düşüncesiyle destekleniyordu. Bu hipotez ana hipotezdi.
Bu hipotez üzerinde interferometre temelli deneysel testler öncelikle buna odaklandı. Michelson-Morley İnterferometresini yaratan Amerikalı fizikçiler Albert Michelson ve Edward Morley, bu sorun üzerinde çalışan uluslararası uzmanlar arasındaydı. Yaptıkları testlerin 1887’de yayınlanan sonuçları, ışığın (aslında tüm elektromanyetik radyasyonun) bir ortam olmaksızın, yani boşlukta yayıldığına ve eterin varlığına karşı ilk somut deneysel kanıt olarak gösterilir. Einstein’ın özel ve daha sonra genel görelilik kuramlarının temel taşlarından biri olan bu bulgu, ışığın hareket ettiği vakum yollarını tanımlayarak uzay-zamanın eğriliğinin izini sürmesini sağlamıştır.
Michelson ve Morley tarafından kullanılan özel interferometrik düzenek, iki dik kol boyunca hareket eden ışığın faz değişiminin hassas ölçümü göz önüne alındığında, neredeyse bir asır sonra, 1960’ların sonlarında uzay-zamandaki yerçekimsel dalga gerilmesinin tespiti için doğal bir uyum olarak kabul edildi. Sonuç olarak, Michelson interferometresinin optik düzenlemesi, LIGO da dahil olmak üzere mevcut tüm yerçekimsel dalga interferometrik dedektörlerinin temel bir bileşenidir.
İnterferometre ne tür bir cihazdır?
İnterferometreler, geniş uygulama yelpazeleri nedeniyle çeşitli boyutlarda ve biçimlerde mevcuttur. Bir organizmanın yüzeyindeki küçük değişimlerden, Evren’in uzak bölgelerindeki geniş gaz ve toz alanlarının yapısına kadar her şeyi ölçmek için kullanılırlar ve şimdi de yerçekimi dalgalarını bulmak için kullanılıyorlar. Tüm interferometrelerin ortak bir özelliği vardır: benzersiz biçimleri veya kullanımları ne olursa olsun, bir girişim deseni oluşturmak için ışık ışınlarını üst üste bindirirler. Sağda, temel konfigürasyonunda bir Michelson lazer interferometresinin resmi görülmektedir. Bir fotodetektör (siyah nokta), bir lazer, bir ışın ayırıcı, bir dizi yansıtıcı ve bir fotodetektör tüm bileşenlerdir.
Fizikte Girişim deseni nedir?
İnterferometrelerin nasıl çalıştığını anlamak için “girişim” hakkında daha derin bir anlayışa sahip olmakta fayda vardır. Girişim, düz, camsı bir gölete veya havuza taş atıp sonuçlarını gözlemleyen herkesin aşina olduğu bir şeydir. Taşlar okyanusa çarptığında kaynaktan uzaklaşan eş merkezli dalgalar oluşur. Ayrıca bu eşmerkezli dalgalar, iki ya da daha fazlasının kesiştiği yerlerde birbirleriyle çatışır. Bu girişimin sonucunda artan bir dalga, azalan bir dalga ya da hiç dalga olmayabilir. Dalgaların çarpıştığı yerde görülebilen yalnızca bir “girişim” desenidir.
Dolanıklığın temellerini anlamak kolaydır. En az iki dalga birleşir. Ortaya çıkan dalga, temas eden dalgaların yüksekliklerinin toplanmasıyla oluşturulan “girişim” desenidir. Toplam yapıcı girişim ve toplam yıkıcı girişim, sağdaki resimde gösterilen iki farklı girişim türüdür. İki (veya daha fazla) dalganın tepe ve çukurlarının mükemmel kesişimi toplam pozitif girişimle sonuçlanır. İki küçük dalga birbirine eklendiğinde ortaya çıkan daha büyük dalganın boyutu, iki dalganın fiziksel olarak etkileşime girdikleri her konumdaki yüksekliklerinin (ve derinliklerinin!) toplamına eşittir. Birkaç dalganın tepe noktaları tek bir dalganın çukurlarıyla çakıştığında, toplam yıkıcı girişim meydana gelir.
Bunlar bir araya geldiklerinde birbirlerini dengelerler ya da başka bir deyişle birbirlerini “yok ederler”.
Doğada bir dalganın tepe ve dip noktaları her zaman diğer dalganınkilerle tam olarak çakışmaz. Uygun bir şekilde, girişimden kaynaklanan dalganın yüksekliği, birleştiklerinde ne kadar senkronize olduklarına bakılmaksızın, her zaman fiziksel olarak etkileşime girdikleri her nokta boyunca birleşen dalgaların yüksekliklerinin toplamına eşittir. Bu nedenle, dalgalar hafifçe faz dışı çarpıştığında kısmen yapıcı veya yıkıcı girişim meydana gelebilir.
Siyah dalga, birbirlerinin içinden geçerken her bir konumdaki her bir dalganın yüksekliklerinin/derinliklerinin toplanmasıyla üretilir. İki kat daha yüksek/derinden (toplam yapıcı girişim) düze kadar tam bir yükseklik aralığı deneyimlenir. (toplam yıkıcı girişim). Girişim deseni bu örnekte karanlık dalga olarak görülebilir. (kırmızı ve mavi dalganın devam eden girişiminden kaynaklanan desen). Kırmızı ve mavi dalgalar etkileşimde olduğu sürece, nasıl değiştiğini gözlemleyin.
Işık ile Benzerlikler Nasıldır?
Şans eseri, ışık dalgaları tam olarak su dalgaları gibi davranır. Işık dalgalarının bir araya geldiklerinde ne kadar iyi hizalandıklarına bağlı olarak, iki lazer ışığı demeti de bir girişim deseni oluşturabilir. Suya benzer şekilde, bir ışının dalgalarının tepe noktaları diğerinin çukurlarıyla tam olarak buluştuğunda tam yıkıcı girişim meydana gelir. Suda sonuç olarak dalga yoktur. Işıkta da sonuç olarak ışık yoktur! Öte yandan, tam yapıcı girişim iki ışının tepe noktaları tam olarak çakıştığında gerçekleşir.
Yine, suda ortaya çıkan dalganın yüksekliği iki dalganın yüksekliklerinin toplamına eşittir; ışık söz konusu olduğunda, sonuç iki ayrı ışının yoğunluklarının toplamına eşit yoğunlukta bir ışık demetidir. Bu karşılaştırmayı mantıksal sonucuna kadar kullanırsak, sudaki dalgalar birbirleriyle çeşitli şekillerde etkileşime girerek hem yapıcı hem de yıkıcı etkilere neden olabilir. (daha büyük dalga, daha küçük dalga, dalga yok). Sonuç, ışıkta toplam ışın yoğunluğundan tamamen karanlığa kadar değişen tam bir parlaklık spektrumudur.
LIGO’nun interferometrelerine geri dönecek olursak, ışınların birleşmeden önce kat ettikleri mesafe, birleştiklerinde ışınların ne kadar iyi hizalandığını belirler. Işınlardan gelen ışık dalgaları tam olarak hizalanacak ve aynı mesafeyi kat ederlerse tam yıkıcı girişime neden olacaktır. Ancak, herhangi bir nedenle lazerler aynı mesafeleri kat etmezlerse, ışık dalgaları birleşirken artık aynı fazda olmayacak ve bu da fotodetektöre ya hiç ışık ulaşmamasına ya da ilk lazer ışınından sadece biraz daha parlak bir ışığa neden olacaktır. Kollar zaman içinde uzayıp kısalıyorsa, ışınlar herhangi bir zamanda nasıl bir araya geldiklerine bağlı olarak çeşitli girişimler yaşar ve bu da titreşime neden olur.
LIGO’nun interferometresi kütleçekim dalgalarına nasıl tepki veriyor?
Kütleçekim dalgalarının bir sonucu olarak uzay bir yönde uzar ve eşzamanlı olarak ters yönde büzülür. Dalga geçtiği sürece, LIGO bunu interferometrenin bir kolu uzarken diğerinin kısalması, sonra da tam tersi, ileri geri şeklinde deneyimler. Kollar eşzamanlı olarak zıt yönlerde veya diferansiyel olarak uzunluk değiştirdiğinden, bu hareket teknik olarak “Diferansiyel Kol” hareketi veya diferansiyel yer değiştirme olarak adlandırılır.
Daha önce de belirtildiği gibi, her bir lazer ışınının kat ettiği mesafe kolların uzunluklarına göre değişmektedir. Kollar daha uzun ve daha kısa olmak arasında gidip geldikçe senaryo değişir; daha kısa bir koldaki ışın, daha uzun bir koldaki ışından önce ışın ayırıcıya ulaşır. Farklı zamanlarda geldikleri için ışık dalgaları artık ışın ayırıcıda iyi bir şekilde birleşmez. Bunun yerine, birleştikçe, dalga uzuv uzunluklarının salınımına neden olduğu için faz içinde ve dışında hareket ederler veya hizalanırlar. Basitçe söylemek gerekirse, bu interferometreden bir ışık parlaması çıkmasına neden olur.
Kavram teoride neredeyse basit görünse de, gerçekte bu titreşimi fark etmek kolay değildir. Bir kütleçekim dalgasının uzuv uzunluğu üzerindeki etkisi, bir protonun genişliğinin 1/10.000’i kadar veya 10-19 metre kadar küçük olabilir! Ayrıca, LIGO’nun karşılaştığı diğer tüm titremelerin (depremler veya yerel yollardaki trafik gibi aynaları sarsabilecek herhangi bir şeyin neden olduğu) arasında bir kütleçekim dalgası titremesini keşfetmek farklı bir hikayedir. LIGO’nun kütleçekim dalgası tarafından üretilen ayırt edici ışık “titremesini” bulmak için kullandığı ayrıntılı filtreleme süreci LIGO Teknolojisi’nde açıklanmaktadır.
Kaynak: ligo.caltech.edu/
