Nyt instrument udvider LIGOs rækkevidde

For bare et år siden, National Science Foundation-finansieret laserinterferometer gravitationsbølgeobservatorium, eller LIGO, var ved at hente hvisken af ​​gravitationsbølger hver måned eller deromkring. Nu, en ny tilføjelse til systemet gør det muligt for instrumenterne at registrere disse krusninger i rumtid næsten hver uge.

Siden starten på LIGOs tredje driftskørsel i april, et nyt instrument kendt som en kvantevakuumklemmer har hjulpet forskere med at finde snesevis af gravitationsbølgesignaler, herunder en, der ser ud til at være genereret af en binær neutronstjerne - eksplosiv sammenlægning af to neutronstjerner.

Presseren, som forskere kalder det, blev designet, bygget, og integreret med LIGO's detektorer af MIT -forskere, sammen med samarbejdspartnere fra Caltech og Australian National University, der detaljerede dens virke i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Det, instrumentet "klemmer", er kvantestøj - uendeligt små svingninger i rumets vakuum, der gør det ind i detektorerne. Signalerne, som LIGO opdager, er så små, at disse kvante, ellers kan mindre udsving have en kontaminerende effekt, potentielt mudret eller fuldstændig maskere indgående signaler fra gravitationsbølger.

"Hvor kvantemekanikken kommer ind, vedrører det faktum, at LIGOs laser er lavet af fotoner, "forklarer hovedforfatter Maggie Tse, en kandidatstuderende på MIT. "I stedet for en kontinuerlig strøm af laserlys, Hvis du ser tæt nok på, er det faktisk en støjende parade af individuelle fotoner, hver under påvirkning af vakuumudsving. Mens en kontinuerlig lysstrøm ville skabe en konstant brummen i detektoren, de enkelte fotoner ankommer hver til detektoren med lidt 'pop'. "

"Denne kvantestøj er som en popcornknit i baggrunden, der kryber ind i vores interferometer, og er meget vanskelig at måle, "tilføjer Nergis Mavalvala, marmorprofessoren i astrofysik og associeret leder af Institut for Fysik på MIT.

Med den nye presseteknologi, LIGO har barberet denne forvirrende kvanteknit, forlængelse af detektorernes rækkevidde med 15 procent. Kombineret med en stigning i LIGOs lasereffekt, dette betyder, at detektorerne kan udvælge en gravitationsbølge genereret af en kilde i universet til omkring 140 megaparsek, eller mere end 400 millioner lysår væk. Denne udvidede rækkevidde har gjort det muligt for LIGO at registrere gravitationsbølger på næsten ugentlig basis.

"Når detektionshastigheden stiger, ikke kun forstår vi mere om de kilder, vi kender, fordi vi har mere at studere, men vores potentiale for at opdage ukendte ting kommer ind, "siger Mavalvala, et mangeårigt medlem af LIGOs videnskabelige team. "Vi støber et bredere net."

Det nye opslags hovedforfattere er kandidatstuderende Maggie Tse og Haocun Yu, og Lisa Barsotti, en hovedforsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, sammen med andre i LIGO Scientific Collaboration.

Kvantegrænse

LIGO består af to identiske detektorer, en placeret i Hanford, Washington, og den anden i Livingston, Louisiana. Hver detektor består af to 4 kilometer lange tunneler, eller arme, hver strækker sig ud fra den anden i form af et "L."

For at opdage en gravitationsbølge, forskere sender en laserstråle fra hjørnet af den L-formede detektor, ned ad hver arm, i slutningen af ​​hvilket er ophængt et spejl. Hver laser hopper af sit respektive spejl og bevæger sig ned ad hver arm igen, hvor den startede. Hvis en gravitationsbølge passerer gennem detektoren, det skal flytte et eller begge af spejlenes position, hvilket igen ville påvirke tidspunktet for hver lasers ankomst tilbage til dens oprindelse. Denne timing er noget forskere kan måle for at identificere et gravitationsbølgesignal.

Den største kilde til usikkerhed i LIGOs målinger kommer fra kvantestøj i en lasers omgivende vakuum. Mens et vakuum typisk betragtes som en ingenting, eller tomhed i rummet, fysikere forstår det som en tilstand, hvor subatomære partikler (i dette tilfælde, fotoner) bliver konstant skabt og ødelagt, vises og forsvinder så hurtigt, at de er ekstremt vanskelige at opdage. Både ankomsttiden (fasen) og antallet (amplituden) af disse fotoner er lige så ukendte, og lige så usikker, gør det svært for forskere at udvælge gravitationsbølgesignaler fra den resulterende baggrund for kvantestøj.

Og stadigvæk, denne kvanteknitring er konstant, og da LIGO søger at opdage længere, svagere signaler, denne kvantestøj er blevet mere en begrænsende faktor.

"Den måling, vi foretager, er så følsom, at kvantevakuumet betyder noget, "Barsotti noter.

Sætter presset på "uhyggelig" støj

Forskergruppen på MIT begyndte for over 15 år siden at designe en enhed til at presse usikkerheden i kvantestøj, at afsløre svagere og mere fjerne tyngdekraftsbølgesignaler, der ellers ville blive begravet kvantestøjen.

Quantum squeezing var en teori, der først blev foreslået i 1980'erne, den generelle idé er, at kvantevakuumstøj kan repræsenteres som en usikkerhedssfære langs to hovedakser:fase og amplitude. Hvis denne sfære blev presset, som en stressbold, på en måde, der indsnævrede kuglen langs amplitudeaksen, dette ville i virkeligheden formindske usikkerheden i et vakuums amplitude -tilstand (den pressede del af spændingskuglen), samtidig med at usikkerheden i fasetilstanden øges (stressboldens forskydning, udvidet portion). Da det overvejende er faseusikkerheden, der bidrager med støj til LIGO, krymper det kan gøre detektoren mere følsom over for astrofysiske signaler.

Da teorien først blev foreslået for næsten 40 år siden, en håndfuld forskergrupper forsøgte at bygge kvanteklemme -instrumenter i laboratoriet.

"Efter disse første demonstrationer, det gik stille, "Siger Mavalvala.

"Udfordringen med at bygge pressere er, at den pressede vakuumtilstand er meget skrøbelig og delikat, "Tilføjer Tse." Får den pressede bold, i ét stykke, fra hvor det genereres til hvor det måles er overraskende hårdt. Ethvert fejltrin, og bolden kan hoppe helt tilbage til sin tilstand, der ikke er anført. "

Derefter, omkring 2002, ligesom LIGOs detektorer først begyndte at søge efter gravitationsbølger, forskere ved MIT begyndte at tænke på kvanteklemning som en måde at reducere den støj, der muligvis kunne maskere et utroligt svagt tyngdekraftsbølgesignal. De udviklede et foreløbigt design til en vakuumpresser, som de testede i 2010 på LIGOs Hanford -websted. Resultatet var opmuntrende:Instrumentet formåede at øge LIGOs signal-støj-forhold-styrken af ​​et lovende signal kontra baggrundsstøj.

Siden da, holdet, ledet af Tse og Barsotti, har forfinet sit design, og indbyggede og integrerede pressere i begge LIGO -detektorer. Klemmerens hjerte er en optisk parametrisk oscillator, eller OPO-en sløjfeformet enhed, der holder en lille krystal i en konfiguration af spejle. Når forskerne retter en laserstråle mod krystallen, krystalets atomer letter interaktioner mellem laser og kvantevakuum på en måde, der omarrangerer deres egenskaber af fase versus amplitude, skabe et nyt, "presset" vakuum, der derefter fortsætter ned ad hver af detektorens arm, som det normalt ville. Dette pressede vakuum har mindre fasesvingninger end et almindeligt vakuum, giver forskere mulighed for bedre at opdage gravitationsbølger.

Ud over at øge LIGOs evne til at detektere gravitationsbølger, den nye kvantepresser kan også hjælpe forskere med bedre at udtrække oplysninger om de kilder, der producerer disse bølger.

"Vi har dette uhyggelige kvantevakuum, som vi kan manipulere uden egentlig at overtræde naturlovene, og vi kan derefter foretage en forbedret måling, "Mavalvala siger." Det fortæller os, at vi nogle gange kan lave en end-run rundt i naturen. Ikke altid, men nogle gange."