Ny teknologi forbedrer gravitationsbølgedetektorer ved at reducere kvantestøj

Fysikere har med succes udviklet et nyt instrument, der væsentligt reducerer kvanteniveaustøj, som hidtil har begrænset eksperimenters evne til at spotte gravitationsbølger. Kollisioner mellem massive sorte huller og stjerner menes at generere disse krusninger i rum-tid, som først blev opdaget i 2015. I alt omkring 11 detektioner er indtil videre fuldt ud bekræftet.

Enheden markerer en stor forbedring af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO, øge dets detektionsområde med 15 %. Da himlen er en kugle, forskere forventer at være i stand til at detektere omkring 50 % flere gravitationsbølger. De forudser nu, at de vil fange dusinvis af disse sjældent opdagede hændelser under LIGOs igangværende eksperiment, der løber frem til april 2020, som kunne ændre deres forståelse af fænomenerne. Samarbejdet offentliggjorde deres resultater i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette er virkelig vendepunktet, for nu kan vi virkelig lave statistik" med alle disse påvisninger, sagde Lisa Barsotti, en MIT-astrofysiker og en af ​​de videnskabsmænd, der leder indsatsen. "Det er derfor, det er ved at blive en ny æra inden for gravitationsbølgeastronomi."

LIGOs detektorer i Hanford, Washington og Livingston, Louisiana afslører en indkommende gravitationsbølge ved hjælp af gigantiske interferometre. Disse involverer lasere, der hopper af spejle og rejser langs to L-formede arme på 4 kilometer i længden. En gravitationsbølge belaster armene, så parret af laserstråler bliver ude af fase.

Men fysikeres evne til at opdage et så lille signal er begrænset af tilsyneladende uoverkommelig kvantestøj, på grund af tilfældige udsving, der lidt modulerer ankomsttiden for fotoner, de mindste kvantebits af laserlys. For at afhjælpe det, Barsotti og hendes kolleger bruger en kvantepresser, "en krystal i hulrummet af armene på interferometeret, der manipulerer interaktionerne mellem laseren og kvantevakuumet og producerer mindre udsving blandt fotonerne.

Præstationen samlede ekspertise inden for kvantefysik og astrofysik og muliggør mere følsomme påvisninger af sorte huller og ekstremt tætte neutronstjerner, når de smadrer ind i hinanden. Andre kolliderende genstande, som supernovaeksplosioner og mere typiske stjerner, skabe gravitationsbølger, der stadig er for små til at udvælges med nuværende teknologier.

Lignende kvanteklemmeanordninger bliver også testet af LIGOs europæiske modparter i Advanced Jomfruen, ved hjælp af detektorer bygget i det nordlige Italien. Barsotti forudsiger, at kvantepresset lys vil blive standarden for alle næste generations detektorer, ligesom den foreslåede Cosmic Explorer, som ville have arme, der strækker sig 40 kilometer på jorden, øger dens følsomhed yderligere.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Inside Science. Læs den originale historie her. Brugt med tilladelse. Inside Science er en redaktionelt uafhængig nyhedstjeneste fra American Institute of Physics.