真空技術はブラックホールの存在を証明するのに役立つ

- Apr 16, 2019-

真空技術は ブラックホールの存在 証明するのに 役立つ

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出典 イベントホライズン望遠鏡コラボレーション

2019年4月10日21:00、EventHorizon Telescope(EHT)プロジェクトは、ブリュッセル、サンディエゴ、上海、台北、東京、ワシントンを含む世界6カ所で同時記者会見を開催しました。

 

ブラックホールとは何ですか?

ブラックホールは現代の一般相対論における一種の天体です。 ブラックホールの重力は非常に大きいので、イベント範囲内の脱出速度は光速よりも大きい。 ブラックホールは、曲率が非常に大きいために光がイベントの水平線から逃げることができないオブジェクトです。

 

1916年に、溶液中の真空を計算することによってドイツの天文学者カールシュワルツシルトアインシュタイン重力場方程式が得られる、その解は、空間に大量の物質を集中させることが少しあれば、粒子の周りに存在する奇妙な現象を生み出すことを示すインタフェース - インタフェースの中に一度「イベント地平線」、光さえ逃げることができます。 「信じられないほどの物体」は、アメリカの物理学者ジョン・アーチボルド・ホイーラーによって「ブラックホール」と命名されました。

 

重力波とは

 

重力波は、中性子星やブラックホールなどの巨大な物体が加速して互いに周回するときに発生します。 彼らが衝突するとき、彼らは光速に近い速度で移動します。 それらが周回すると、それらが発する重力波は空間を圧縮し、引き伸ばし、時空を変形させます。 変形は非常に小さく振動的です。 比喩的に言えば、それは水に投げられた石によって引き起こされる水の波紋に似ています。

 

2015年9月に、米国のルイジアナ州とワシントン州のLIGO(レーザー干渉計重力波観測所)が最初に地球上で重力波を直接検出したため、アインシュタインの源における強い重力場の限界の理論が確認され、天体物理学の突破口となりました。 真空技術はLIGOの壮観な測定において重要な役割を果たしました。 普遍的な真空計画はLIGOと関連する基礎実験の測定を含みます。

 

E = MC2:これはおそらく物理学で最も有名な式です。 それは1905年にアルバートアインシュタインによって策定された相対性理論の一部であり、質量とエネルギーの等価性を説明している。 数年後、世界的に有名な物理学者は彼の観察を重力に拡張し、1915年に発表された相対性理論の一部として重力波の存在を数学的に記述した。100年の間、理論は物理学者によって受け入れられてきた。 ワシントンとルイジアナのレーザー干渉計重力波観測所の助けを借りて、科学者たちは初めてブラックホールのペアが衝突したときに生成された放射線を検出することができました。 その後、二重ブラックホール系の存在が確認され、そのダイナミクスはアインシュタインの方程式に従うことが示された。

 

アインシュタインの理論に対する注目に値する証拠

2015年9月に、LIGOは最初に13億光年離れた銀河の中で2つのブラックホールの合併から重力波を検出しました。 これはアインシュタインの理論を再確認しただけでなく、これらの発見は対になったブラックホールの存在を確認する最初のものです。 研究者にとって、この発見は、17世紀にガリレオによって始められた天文学的研究に匹敵する、天文学における新しい時代を迎えます。

 

2015年9月に、LIGOは最初に13億光年離れた銀河の中で2つのブラックホールの合併から重力波を検出しました。 これはアインシュタインの理論を再確認しただけでなく、これらの発見は対になったブラックホールの存在を確認する最初のものです。 研究者にとって、この発見は、17世紀にガリレオによって始められた天文学的研究に匹敵する、天文学における新しい時代を迎えます。

 

検出器はマイケルソン干渉計で作動する。 干渉計では、レーザビームはビームスプリッタによって分離され、可能な限り2つの光路によって光学ミラーシステムを通過する。 その後、レーザービームは検出器内で結合されます。 このようにして、重力波によって生成されたレーザビームの最小飛行時間差を測定することができる。 4 km離れた鏡でも、重力波によってレーザービームの距離は原子核のサイズのわずか1000分の1(10〜18m)だけ変化します。

 

「ブラックホール」は「重力波」を生み出す
真空技術は重力波の存在を確認します。

 

地球上の重力波の存在を確認するには、LIGO実験で使用されている Pfeiffer Vacuumの 真空技術 が必要です。 正常な機能を確実にするために、レーザの2つの光路は乱されてはならない。 その結果、レーザービームと光学ミラーは超高真空システムに配置されます。 実験が円滑に完了できるように、システムの品質と信頼性を保証するために、それは10年までの準備を必要とします。 この準備の一部として、重力波実験の準備をするために、世界中の物理学研究所で基礎研究が行われてきました。

 

万能真空は、これらの基礎実験の多くに真空を提供します。 LIGOプローブ内の真空度もPVD分析システムによって監視されます。 万能真空HiPace分子ポンプおよび質量分析計は、巨大ビーム管のベーキングの診断のために品質を保護し、漏れを検出するために使用されます。 これらの装置は、配管システム内で必要な真空条件を維持し、実験を成功させるために必要な環境条件を提供するために使用されます

 

全体的に見て、LIGOの実験的作業において真空技術はどのような役割を果たしましたか?

4kmのカンチレバーでは、残留ガス分子の前方散乱によって引き起こされる干渉計の出力における位相雑音を回避するために10 -9トルより低いレベルの真空が必要とされる。 最も深刻な位相雑音は高分子から来ています。

 

試験質量室内では、残留ガス原子の衝突によって引き起こされる試験質量の運動量変動を回避するために10 -8トル未満の真空が必要とされる。 同様に、重い原子は軽い原子よりもノイズが多くなります。

 

真空システムはどのような特定の要件を満たす必要がありますか?
上記の圧力要件に加えて、真空システムは一度に数ヶ月間確実に作動しなければならない。 また、真空ポンプの振動が試験品質に影響を与えないようにしてください。

 

重力波の存在は確認されており、それと共にアインシュタインの相対性理論も存在する。 これはLIGOの実験的な仕事にとって何を意味するのでしょうか? それはどのように機能しますか?
素晴らしい目標はまだ達成されていません。 ほんの小さな一歩前進。 設計精度の向上により、LIGOは重力波天文学の分野を切り開きます。 これは宇宙物理学の新しい分野であり、宇宙全体で物質を加速することによって放出される重力波を観測することによって暗い宇宙を探っています。 私達は二重ブラックホール系と中性子星があることを知っています。 しかし、それらはまだ学習されていません。 ブラックホールの質量スペクトルはそれらの構造についての情報を提供し、天文学におけるそれらの重要性を明らかにするでしょう。 中性子星は私たちに核物質の状態の方程式を与え、宇宙でどのように重い元素が形成されるのかを教えてくれるかもしれません。 私達が超新星を観測することができれば、重力波は星の崩壊の内部過程を明らかにするでしょう。 まだ考えていない新しい重力波源があるかもしれません。