Trwają poszukiwania w celu wykrycia pierwszych dowodów fal grawitacyjnych przemieszczających się wokół kosmosu. Jeśli fala grawitacyjna przejdzie przez objętość czasoprzestrzeni otaczającej Ziemię, W teorii wiązka laserowa wykryje niewielką zmianę, gdy fala przechodząca nieznacznie zmienia odległość między zwierciadłami. Warto zauważyć, że ta niewielka zmiana będzie niewielka; tak małe, że LIGO został zaprojektowany do wykrywania fluktuacji odległości mniejszej niż jedna tysięczna szerokości proton. To imponujące, ale mogłoby być lepiej. Teraz naukowcy sądzą, że znaleźli sposób na zwiększenie czułości LIGO; użyj dziwnych właściwości kwantowych fotonu, aby „ścisnąć” wiązkę laserową, aby zwiększyć czułość…
LIGO został zaprojektowany przez współpracowników z MIT i Caltech w celu wyszukiwania dowodów obserwacyjnych teoretycznych fal grawitacyjnych. Uważa się, że fale grawitacyjne rozprzestrzeniają się we Wszechświecie, ponieważ masywne obiekty zakłócają czasoprzestrzeń. Na przykład, jeśli dwie czarne dziury zderzyły się i połączyły (lub zderzyły i oderwały od siebie), teoria ogólnej teorii względności Einsteina przewiduje, że w całej czasoprzestrzeni zostanie wysłana zmarszczka. Aby udowodnić istnienie fal grawitacyjnych, konieczne było zbudowanie zupełnie innego rodzaju obserwatorium, nie po to, aby obserwować emisje elektromagnetyczne ze źródła, ale by wykryć przejście tych zaburzeń przemieszczających się przez naszą planetę. LIGO jest próbą zmierzenia tych fal, a przy ogromnym koszcie instalacji wynoszącym 365 milionów USD, istnieje ogromna presja na obiekt, aby odkrył pierwszą falę grawitacyjną i jej źródło (więcej informacji na temat LIGO, patrz „Słuchanie” fal grawitacyjnych w celu śledzenia czarnych dziur). Niestety, po kilku latach nauki nie znaleziono. Czy to dlatego, że nie ma tam fal grawitacyjnych? A może LIGO po prostu nie jest wystarczająco wrażliwy?
Naukowcy z LIGO szybko udzielają odpowiedzi na pierwsze pytanie: potrzeba więcej czasu na zebranie dłuższego okresu danych (zanim wykryte zostaną fale grawitacyjne, musi być więcej „czasu ekspozycji”). Istnieją również silne teoretyczne powody, dla których powinny istnieć fale grawitacyjne. Drugie pytanie jest czymś, co naukowcy z USA i Australii mogą poprawić; być może LIGO potrzebuje zwiększenia czułości.
Aby zwiększyć czułość detektorów fal grawitacyjnych, Nergis Mavalvala, lider nowych badań i fizyk MIT, skupił się na bardzo małych, aby pomóc wykryć bardzo duże. Aby zrozumieć, co naukowcy mają nadzieję osiągnąć, potrzebny jest bardzo krótki kurs zderzenia kwantowego.
Detektory takie jak LIGO polegają na bardzo dokładnej technologii laserowej do pomiaru zaburzeń w czasoprzestrzeni. Gdy fale grawitacyjne przemieszczają się przez Wszechświat, powodują niewielkie zmiany odległości między dwiema pozycjami w przestrzeni (przestrzeń ta jest skutecznie „wypaczana” przez te fale). Chociaż LIGO ma zdolność wykrywania zakłóceń mniejszych niż jedna tysięczna szerokości protonu, byłoby świetnie, gdyby uzyskano jeszcze większą czułość. Chociaż lasery są z natury dokładne i bardzo czułe, fotony laserowe nadal podlegają dynamice kwantowej. Gdy fotony laserowe oddziałują z interferometrem, występuje pewien stopień kwantowego rozmycia, co oznacza, że foton nie jest ostrym punktem pin, lecz jest lekko zamazany przez szum kwantowy. Starając się zmniejszyć ten hałas, Mavalvala i jej zespół byli w stanie „wycisnąć” fotony laserowe.
Fotony laserowe mają dwie wielkości: fazę i amplitudę. Faza opisuje pozycję fotonów w czasie, a amplituda opisuje liczbę fotonów w wiązce laserowej. W tym świecie kwantowym, jeśli amplituda lasera jest zmniejszona (usuwając część szumu); zwiększą się niepewności kwantowe w fazie lasera (dodając nieco hałasu). Na tym kompromisie opiera się ta nowa technika wyciskania. Ważna jest dokładność pomiaru amplitudy, a nie fazy, przy próbie wykrycia fali grawitacyjnej za pomocą laserów.
Mamy nadzieję, że tę nową technikę można zastosować do wielomilionowego zakładu LIGO, prawdopodobnie zwiększając czułość LIGO o 44%.
“Znaczenie tej pracy polega na tym, że zmusiła nas do skonfrontowania i rozwiązania niektórych praktycznych wyzwań związanych z zastrzykiem państwowym - i jest ich wiele. Jesteśmy teraz w znacznie lepszej pozycji, aby zastosować ściskanie w detektorach w skali kilometra i uchwycić tę nieuchwytną falę grawitacyjną. ” - Nergis Mavalvala.
Źródło: Physorg.com
