Khoa học chân không đã là một phần không thể thiếu trong những tiến bộ khoa học lớn. Một trong những thiết bị nổi bật nhất là máy dò sóng trọng lực.
Sóng trọng lực là những gợn sóng trong không gian-thời gian được gây ra bởi các quá trình bạo lực như nổ các ngôi sao, va chạm giữa các ngôi sao neutron hoặc kết hợp các lỗ đen - một khái niệm được dự đoán bởi lý thuyết tương đối chung của Einstein vào năm 1915.
Cách sử dụng bơm chân không cho hệ thống phát hiện sóng trọng lực
Để phát hiện sóng trọng lực trong máy đo nhiễu (bao gồm các cánh tay lưu trữ ánh sáng), cần có điều kiện chân không. Nếu không có điều này, các phân tử khí có trong cánh tay máy đo can thiệp có thể phá hủy ánh sáng hoặc tạo ra tiếng ồn che giấu bất kỳ thay đổi nào trong chùm tia laser do sóng trọng lực gây ra.
Do đó, bơm chân không là một phần thiết yếu của hệ thống phát hiện sóng trọng lực. Vì phải đạt được phạm vi áp suất lên đến <10 -09 mbar, nên các bơm chân không phổ biến nhất được sử dụng là bơm turbo phân tử từ tính, bơm ion, bơm cyro và bơm chân không sơ bộ khô. Các yếu tố quan trọng khác cần cân nhắc là độ rung và tiếng ồn thấp, độ sạch (tốt nhất là không có dầu) và phát xạ điện từ để tránh nhiễu phép đo.
Các dự án và khám phá về máy dò sóng trọng lực
Được thành lập vào năm 1997 và bao gồm hơn 100 tổ chức trên 18 quốc gia, LIGO là đài quan sát sóng trọng lực lớn nhất thế giới. Điều này nhằm khám phá vật lý của trọng lực và đánh dấu lĩnh vực khoa học sóng trọng lực như một công cụ khám phá thiên văn thông qua việc phát hiện sóng trọng lực.
Virgo là một máy đo nhiễu laser khổng lồ nhằm phát hiện sóng trọng lực. Công ty hoạt động tại Cascina, Ý thông qua sự hợp tác quốc tế của các nhà khoa học ở Pháp, Ý, Hà Lan, Ba Lan và Hungary.
Vào tháng 4 năm 2019, các máy dò LIGO và Virgo đã ghi nhận sóng trọng lực, nghi ngờ phát sinh từ sự va chạm giữa hai ngôi sao neutron. Một nguồn bổ sung và không chắc chắn đã sớm được phát hiện; va chạm giữa một ngôi sao neutron và lỗ đen. Tác động của khám phá này đã xác định lại bản chất của nghiên cứu không gian, cho phép các nhà khoa học phát triển nghiên cứu về những gì từng được cho là không thể.
Điều kiện chân không siêu cao trong phát hiện sóng trọng lực
Để hoạt động hiệu quả, máy dò sóng trọng lực phải duy trì điều kiện chân không siêu cao. Điều này là do sóng âm không thể gây ra rung động trong hệ thống chân không. Nếu không có buồng chân không này, dòng khí bên trong ống chùm tia sẽ khiến laser thay đổi hướng, ngăn chặn khả năng phát hiện sóng trọng lực.
Trung tâm của điều này là việc lắp đặt ống chân không chùm tia. Do độ nhạy cao của máy dò LIGO, các chùm tia này phải không bị rò rỉ và được làm từ vật liệu có hiệu ứng thoát khí thấp. Ngoài ra, các cánh của ống phải được lắp ráp theo đường thẳng và độ cong của Trái đất phải được tính đến, làm nổi bật độ chính xác của dự án.
Một trong những rào cản lớn nhất đối với LIGO là mức độ nhiễu lượng tử cao. Để cải thiện điều này, các biến thể chân không đã nhập vào máy đo can thiệp có thể được thay thế bằng ánh sáng bị nén. Điều này được thực hiện vào năm 2011 tại Đài quan sát LIGO Hanford và dẫn đến việc giảm tần số tiếng ồn cũng như mức độ nhạy cao hơn.
Nhìn chung, sự hiện diện của các điều kiện chân không siêu cao đã cho phép các nhà khoa học trên toàn cầu hợp tác để phát hiện và đo sóng trọng lực. Với những phát hiện mới và đáng ngạc nhiên tiếp tục thách thức các lý thuyết hiện có.
