Scattered light noise due to dust particles contamination in the vacuum pipes of the Einstein Telescope

إن البحث عن موجات الجاذبية هو سعي لسماع أضعف همسات الكون، وهي تموجات في الزمكان ناتجة عن أحداث كارثية مثل اصطدام الثقوب السوداء. وللالتقاط هذه الإشارات، يبني العلماء أدوات ذات حساسية فائقة، باستخدام أشعة ليزر تسافر ذهابًا وإيابًا عبر مسافات تصل إلى عشرة كيلومترات داخل أنابيب مفرغة. والهدف هو قياس التغيرات في المسافة بمقدار أصغر من جزء من عرض ذرة واحدة. ومع ذلك، فإن هذه الآلات الدقيقة يمكن أن تضطرب بسهولة بسبب الضوء الشارد. فإذا اصطدم فوتون واحد من شعاع الليزر بذرة غبار أو بقعة خشنة على مرآة، فإنه يمكن أن يتشتت، ويرتد عن جدار مهتز، ويعود إلى الشعاع الرئيسي. ويحمل هذا الضوء العائد نسخة مشوهة من الاهتزاز الذي واجهه، مما يخلق ضوضاء يمكن أن تحجب الإشارات الكونية التي يحاول العلماء اكتشافها. وبالنسبة للجيل القادم من هذه الكواشف، المعروف باسم "تلسكوب أينشتاين"، يجب على الباحثين ضمان أن يكون كل سطح داخل أنابيب الفراغ نظيفًا تمامًا، لأن أدنى نقص قد يغرق صوت الكون.

لقد وجه فريق من الفيزيائيين اهتمامهم الآن إلى مصدر محدد لهذا الإزعاج: جزيئات الغبار التي تستقر على الدروع المخروطية، أو الحواجض (baffles)، التي تبطن الجزء الداخلي من أنابيب الفراغ. هذه الحواجض مصممة لالتقاط الضوء الشارد من المرايا الرئيسية قبل أن يصطدم بالجدران الخشنة للأنبوب، ولكن هذه الحواجض نفسها يمكن أن تصبح مشكلة إذا كانت متسخة. وقد سعى الباحثون لفهم كيفية تشتت الضوء عندما يصطدم بجزيء غبار مستقر على سطح عاكس، وتحديد مدى النظافة التي يجب أن تكون عليها بيئة التركيب للحفاظ على انخفاض الضوضاء بما يكفي. وقد ركزوا على جزيئات تتراوح أقطارها من عُشر الميكرومتر إلى ثلاثمائة ميكرومتر، لتغطي أحجامًا تتراوح من الدخان الناعم إلى حبة الرمل.

باستخدام محاكاة حاسوبية تعتمد على فيزياء تشتت الضوء، قام الفريق بنمذجة كيفية سلوك الضوء عندما يصطدم بهذه الجزيئات. ووجدوا أن كمية الضوضاء المتولدة تعتمد بشكل كبير على حجم الجزيء ومادته. فالجزيئات الصغيرة، وهي تلك الأصغر بكثير من الطول الموجي لضوء الليزر، تشتت الضوء بنسبة ضئيلة جدًا. ومع ذلك، يمكن للجزيئات الأكبر أن تشتت الضوء بكفاءة أكبر بكثير، خاصة إذا كانت مصنوعة من مواد تعكس الضوء جيدًا ولا تمتص منه إلا القليل. واكتشف الباحثون أن الغبار الأكثر خطورة سيكون على الأرجح مكونًا من مواد مثل الزجاج أو الغبار المعدني، وهي مواد شائعة في بيئات البناء والمختبرات. كما وجدوا أن نمط التشتت يتغير اعتمادًا على ما إذا كان الضوء مستقطبًا في اتجاه واحد أو آخر، ولكن لأغراض وضع حدود السلامة، ركزوا على أسوأ السيناريوهات حيث يكون التشتت في أقوى حالاته.

ثم طبقت الدراسة هذه النتائج على التصميم المحدد لتلسكوب أينشتاين. وقام الفريق بحساب الحد الأقصى لعدد جزيئات الغبار المسموح بها على كل حاجز لضمان أن الضوضاء التي تولدها لا تتجاوز الضوضاء الناتجة عن مادة الحاجز نفسه. وحددوا أنه إذا كانت الحواجض مصنوعة من مادة تعكس الضوء بقوة، فإن كثافة الغبار المسموح بها ستكون منخفضة للغاية. فعلى سبيل المثال، إذا كان السطح عاكسًا بشدة، فإن وجود حتى بضعة جزيئات كبيرة يمكن أن يخلق ضوضاء كبيرة. وخلص الباحثون إلى أنه لتلبية هذه الحدود الصارمة، يجب أن تتم عملية تجميع أنابيب الفراغ في بيئة ذات مستوى عالٍ جدًا من النظافة، مما يتطلب على الأرجح غرفة نظيفة محكومة. وقد قدموا إرشادات محددة لكثافة الجزيئات المسموح بها على الأسطح، مشيرين إلى أنه بالنسبة للأجزاء الأكثر حساسية من الكاشف، يجب أن يكون الهواء خاليًا فعليًا من الغبار الذي يزيد حجمه عن بضعة ميكرومترات.

كما تناولت الورقة البحثية عدم اليقين بشأن المواد الدقيقة التي قد تنتهي كغبار داخل التلسكوب. وبما أن الموقع النهائي للكاشف لم يتم اختياره بعد، ويمكن أن يأتي الغبار من عمليات حفر الأنفاق، أو عملية البناء، أو التعامل مع المكونات، فقد اختبر الباحثون مجموعة واسعة من المواد المحتملة. لقد قاموا بمحاكاة كل شيء، بدءًا من الغبار البيئي التقليدي وصولاً إلى خلايا الجلد البشرية والألومنيوم. وأظهرت نتائجهم أنه بينما تهم التركيبة الدقيقة، فإن القاعدة العامة تظل كما هي: الجزيئات الأكبر هي مصدر القلق الرئيسي، ويجب تقليل وجودها بغض النظر عما تكون مصنوعة منه. لم تجد الدراسة حلاً سحريًا واحدًا للمشكلة، بل قدمت بدلاً من ذلك مجموعة واضحة من القواعد حول مدى نظافة البيئة المطلوبة. ومن خلال وضع هذه الحدود، أعطى الفريق للمهندسين هدفًا ملموسًا لعمليات بناء وتجميع تلسكوب أينشتاين، مما يضمن أن تكون الآلة هادئة بما يكفي للاستماع إلى الكون دون أن يغرق صوتها في غبارها الخاص.