Ученые Advanced LIGO объявили о первом наблюдении гравитационных волн в начале этого года, через столетие после того, как Альберт Эйнштейн предсказал их существование в своей общей теории относительности. Изучение гравитационных волн может дать важную информацию о катастрофических астрофизических событиях, связанных с черными дырами и нейтронными звездами.В журнале Оптического общества для исследований с высокой ударной нагрузкой, Optica, исследователи сообщают об усовершенствованиях так называемого источника сжатого вакуума. Хотя это и не является частью оригинальной конструкции Advanced LIGO, введение нового сжатого источника вакуума в детектор LIGO может помочь удвоить его чувствительность.
Это позволило бы обнаруживать гораздо более слабые гравитационные волны или волны, исходящие из более отдаленных мест, чем это возможно сейчас.Морщинка в пространстве-времениНа протяжении тысячелетий люди использовали свет как способ взгляда на Вселенную. Телескопы увеличивают то, что видно невооруженным глазом, а новые телескопы используют невидимые части электромагнитного спектра, чтобы получить изображение окружающей нас Вселенной.
«Во Вселенной есть много процессов, которые по своей природе темные; они не излучают свет любого цвета», — сказал Нергис Мавалвала, член группы Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института Кавли и руководитель исследовательской группы. «Поскольку многие из этих процессов связаны с гравитацией, мы хотим наблюдать Вселенную, используя гравитацию в качестве посредника».Исследователи из Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института разработали, построили и эксплуатируют идентичные детекторы Advanced LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон. Каждая обсерватория использует оптическое устройство длиной 2,5 мили, известное как интерферометр, для обнаружения гравитационных волн, исходящих от далеких событий, таких как столкновение двух черных дыр, обнаруженных в прошлом году.Лазерный свет, движущийся вперед и назад по двум плечам интерферометра, используется для отслеживания расстояния между зеркалами на концах каждого плеча.
Гравитационные волны вызовут небольшое, но заметное изменение расстояния между зеркалами. Оба детектора должны обнаруживать изменение, чтобы подтвердить, что гравитационные волны, а не сейсмическая активность или другие земные эффекты вызвали изменение расстояния между зеркалами.
Изучение столкновений нейтронных звезд«Мы хотим использовать усовершенствованные детекторы LIGO, чтобы определять самую дальнюю гравитационную волну или самую слабую возможную гравитационную волну», — сказал Мавалвала. «Однако это ограничено квантовыми флуктуациями лазерного света, которые создают определенный уровень шума. Если гравитационная волна слабее этого уровня шума, мы не можем ее обнаружить. Таким образом, у нас есть большой импульс. чтобы уменьшить этот шум, и мы можем сделать это с помощью нашего сжатого источника вакуума ».
Исследователи планируют добавить свой новый источник сжатого вакуума в Advanced LIGO в следующем году или около того. После внедрения он улучшит чувствительность гравитационных детекторов, особенно на более высоких частотах, важных для понимания состава нейтронных звезд.
Эти чрезвычайно плотные звезды содержат массу Солнца, имеющего радиус 700 000 километров, в пределах 10 километров в диаметре.«Никто точно не знает, как ведут себя нейтроны в этих звездах, когда их раздавливают в такую плотную упаковку», — сказал Мавалвала. «Эти нейтронные звезды иногда сталкиваются друг с другом, и в тот момент, когда они разрывают друг друга, вы можете изучать свойства этой ядерной материи, обнаруживая гравитационные волны, которые возникают на более высоких частотах».Как может помочь состояние сжатого вакуума?
Мавалвала объясняет, что лазерный свет, используемый в детекторах LIGO, можно рассматривать как своего рода линейку. «Фазовый шум, возникающий в результате квантовых флуктуаций лазерного света, похож на попытку измерить длину листа бумаги, в то время как метки линейки продолжают шевелиться и перемещаться», — сказала она. «Поскольку этот шум вызывает дрожание меток на нашей линейке измерителя, мы хотим уменьшить его, вводя это специальное состояние сжатого вакуума, которое имеет меньшие колебания или создает меньшее дрожание на метках нашей линейки».Создание сжатого источника вакуума включало изменение вакуумного состояния, которое является квантовым состоянием с минимально возможной энергией. «Мы захватили часть этого электромагнитного вакуума в оптическом резонаторе, сначала построив эксперимент с помощью лазерных лучей, а затем создав состояние сжатого вакуума, уменьшив мощность лазера до тех пор, пока не исчезнет свет и останется только вакуум», — сказал Мавалала. «Тогда все, что мы сделали бы со светом, мы можем сделать с состоянием сжатого вакуума».Усовершенствованный источник сжатого вакуума основан на работе, проведенной исследователями из Ганноверского университета им. Лейбница и Гамбургского университета в Германии.
Новый источник сжатого вакуума демонстрирует примерно в десять раз меньше фазового шума, чем источники, о которых сообщалось ранее. Исследователи добились этого, уменьшив вибрации, которые могут отрицательно повлиять на сжатое состояние, и внесли улучшения в систему, которая корректирует любой оставшийся фазовый шум.«Лучший подход — попытаться уменьшить количество внутреннего фазового шума, но если вы не можете этого сделать, вы можете измерить, насколько он дрожит, а затем использовать обратную связь, чтобы исправить это», — сказал Эрик Олкер, первый автор статьи. . «Мы использовали вариант схемы коррекции, которая применялась ранее, но наша версия позволила нам увеличить полосу пропускания контуров обратной связи, подавляя фазовый шум совершенно новым способом».
Исследователи говорят, что новый источник сжатого вакуума почти готов к развертыванию в Advanced LIGO. В отдельных исследованиях они показали, что они также могут уменьшить оптические потери, которые могут ухудшить состояние сжатого вакуума. «Комбинируя оптические потери, которые, как мы думаем, мы можем достичь, и этот новый результат с низким уровнем фазового шума, мы стремимся вдвое улучшить усовершенствованный LIGO», — сказал Мавалвала. «Мы надеемся добиться большего улучшения чувствительности к гравитационным волнам, чем считалось возможным».