TAMA300 baner spor for forbedret gravitationsbølgeastronomi

Forskere ved National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) har brugt infrastrukturen fra den tidligere TAMA300 gravitationsbølgedetektor i Mitaka, Tokyo, at demonstrere en ny teknik til at reducere kvantestøj i detektorer. Denne nye teknik vil øge følsomheden af ​​detektorerne, der består af et samarbejdende verdensomspændende gravitationsbølgenetværk, giver dem mulighed for at observere svagere bølger.

Da det begyndte observationer i 2000, TAMA300 var en af ​​verdens første storstilede interferometriske gravitationsbølgedetektorer. På det tidspunkt havde TAMA300 den højeste følsomhed i verden, indstilling af en øvre grænse for styrken af ​​gravitationsbølgesignaler; men den første påvisning af faktiske gravitationsbølger blev foretaget 15 år senere i 2015 af LIGO. Siden da, detektorteknologien er blevet forbedret til det punkt, at moderne detektorer observerer flere signaler om måneden. De videnskabelige resultater opnået fra disse observationer er allerede imponerende, og mange flere forventes i de kommende årtier. TAMA300 deltager ikke længere i observationer, men bruges stadig som testbed for nye teknologier til at forbedre andre detektorer.

Følsomheden af ​​nuværende og fremtidige gravitationsbølgedetektorer er begrænset ved næsten alle frekvenser af kvantestøj forårsaget af virkningerne af vakuumfluktuationer i de elektromagnetiske felter. Men selv denne iboende kvantestøj kan omgås. Det er muligt at manipulere vakuumfluktuationerne for at omfordele kvanteusikkerhederne, mindske en type støj på bekostning af at øge en anden, mindre obstruktiv type støj. Denne teknik, kendt som vakuumklemning, er allerede blevet implementeret i gravitationsbølgedetektorer, øger deres følsomhed over for højfrekvente gravitationsbølger i høj grad. Men den optomekaniske interaktion mellem det elektromagnetiske felt og detektorens spejle får effekten af ​​vakuumklemning til at ændre sig afhængigt af frekvensen. Så ved lave frekvenser, vakuumklemning øger den forkerte type støj, faktisk nedværdigende følsomhed.

For at overvinde denne begrænsning og opnå reduceret støj ved alle frekvenser, et team hos NAOJ sammensat af medlemmer af det interne Gravitational Wave Science Project og KAGRA-samarbejdet (men også inkluderende forskere fra Jomfru- og GEO-samarbejdet) har for nylig demonstreret gennemførligheden af ​​en teknik kendt som frekvensafhængig vakuum-squeezing ved frekvenserne nyttig til gravitationsbølgedetektorer. Fordi selve detektoren interagerer med de elektromagnetiske felter forskelligt afhængigt af frekvensen, holdet brugte infrastrukturen fra den tidligere TAMA300-detektor til at skabe et felt, som i sig selv varierer afhængigt af frekvensen. Et normalt (frekvensuafhængigt) sammenpresset vakuumfelt reflekteres i et optisk hulrum på 300 meter, sådan at en frekvensafhængighed er indprentet og den er i stand til at modvirke interferometerets optomekaniske effekt.

Denne teknik vil tillade forbedret følsomhed ved både høje og lave frekvenser samtidigt. Dette er et afgørende resultat, der demonstrerer en nøgleteknologi til at forbedre fremtidige detektorers følsomhed. Dens gennemførelse, planlagt som en opgradering på kort sigt, sammen med andre forbedringer, forventes at fordoble observationsområdet for andengenerationsdetektorer.

Disse resultater vises som Zhao, Y., et al. "Frekvensafhængig presset vakuumkilde til bredbånds kvantestøjreduktion i avancerede gravitationsbølgedetektorer" i Fysiske anmeldelsesbreve den 28. april, 2020. Et lignende resultat er opnået af en gruppe i MIT, der bruger et 16-m filterhulrum, og de to artikler vil blive udgivet i fællesskab.