Jordrystende videnskab i fryseren:Næste generation af vibrationssensorer ved kryogene temperaturer

En banebrydende vibrationssensor kan forbedre den næste generation af gravitationsbølgedetektorer til at finde de mindste kosmiske bølger fra baggrundsbrummen af ​​Jordens bevægelse.

Under sin ph.d. postdoc-forsker Joris van Heijningen fra ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), udviklet verdens mest følsomme inertivibrationssensor. Nu, han foreslår et lignende design, men 50 gange mere følsom, ved frekvenser under 10 Hz, ved brug af kryogene temperaturer.

Denne nye sensor måler vibrationer så små som et par femtometre (en milliontedel af en milliardtedel af en meter) med en periode på 10 til 100 millisekunder (10 Hz til 100 Hz). Avisen er for nylig offentliggjort i IOP's Journal of Instrumentation afslører en prototype af den næste generation af seismiske isolationssystemer med følsomhed ned til 1Hz, ved brug af kryogene temperaturer - lavere end 9,2 grader og over det absolutte nulpunkt.

Selvom vi ikke kan mærke det, vores planet vibrerer altid en lille smule på grund af mange forskellige begivenheder, både kosmisk og jordisk; for eksempel, fra gravitationsbølger (miniscule krusninger i rumtiden); havets bølger slår mod kysten; eller menneskelig aktivitet. Ifølge Dr. van Heijningen, nogle steder vibrerer mere end andre, og hvis du plotter disse vibrationer, de ligger mellem to linjer kaldet Peterson Low og High Noise Models (LNM/HNM).

De bedste kommercielle vibrationssensorer er udviklet til at have en følsomhed, der ligger under LNM. De er tilstrækkeligt følsomme til at måle alle steder på Jorden med et anstændigt signal-til-støj-forhold, " siger van Heijningen.

Til dato, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), med sine fire kilometer lange arme, bruger seismiske isolationssystemer til at forhindre jordiske vibrationer, der påvirker videnskabelige målinger; imidlertid, fremtidige gravitationsbølgedetektorer kræver mere avancerede og præcise vibrationssensorer.

Forskere arbejder allerede på en tredje generation af detektorer, der vil have magten til at opdage hundredvis af sorte hullers fusioner hvert år, måling af deres masser og spins - endda mere end LIGO, eller dets europæiske ækvivalent, Jomfruen, kan måle.

I USA, der vil være Cosmic Explorer:et 40 kilometer langt observatorium, der vil være i stand til at opdage hundredtusindvis af sorte hullers fusioner hvert år. Lige så imponerende vil Einstein-teleskopet være i Europa, med sine 10 kilometer bevæbnet, trekantet konfiguration bygget under jorden.

Fremtidige detektorer vil være i stand til at måle gravitationsbølger ved frekvenser lavere end den aktuelle afskæring ~10 Hz, 'fordi det er der, signalerne fra kollisioner af sorte huller lurer, " forklarer van Heijningen. Men et af hovedproblemerne ved disse enorme detektorer er, at de skal være ekstremt stabile - den mindste vibration kan hæmme detektioner.

"I bund og grund at få systemet tæt på nul grader Kelvin (som er 270 grader under nul celsius) reducerer den såkaldte termiske støj drastisk, som er dominerende ved lave frekvenser. Temperatur er en vibration af atomer i en eller anden forstand, og denne minimale vibration forårsager støj i vores sensorer og detektorer, " siger van Heijningen.

Fremtidige detektorer skal køle ned til kryogene temperaturer, men det er ikke nogen let bedrift. Når først forskerne opnår det, udnyttelse af det kryogene miljø vil forbedre sensorens ydeevne efter dette forslagsdesign. I sin nye stilling som forsker ved UCLouvain i Belgien, van Heijningen planlægger at prototype dette sensordesign og teste dets ydeevne for Einstein-teleskopet.