W ramach przełomowego badania naukowcy opracowali optyczne śledzenie sprężyny, aby zwiększyć klarowność sygnału w detektorach fal grawitacyjnych, takich jak aLIGO.
Ta innowacja może radykalnie zwiększyć naszą wiedzę na temat wydarzeń kosmicznych, takich jak czarna dziura fuzji, potencjalnie odkrywając tajemnice powstawania wszechświata.
Rewolucyjne postępy w wykrywaniu fal grawitacyjnych
Naukowcy wykazali, że optyczne śledzenie sprężyny to obiecujący sposób na poprawę przejrzystości sygnału detektorów fal grawitacyjnych. Postęp ten może pewnego dnia pozwolić naukowcom zajrzeć dalej w głąb wszechświata i dostarczyć więcej informacji o tym, jak zachowują się czarne dziury i gwiazdy neutronowe podczas łączenia się.
Wielkoskalowe interferometry, takie jak Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO), wykrywają subtelne zniekształcenia czasoprzestrzeni, znane jako fale grawitacyjnegenerowane przez odległe wydarzenia kosmiczne. Umożliwiając naukowcom badanie zjawisk, które nie emitują światła, pomiary fal grawitacyjnych otworzyły nowe okno na zrozumienie ekstremalnych wydarzeń astrofizycznych, natury grawitacji i pochodzenia Wszechświata.
Redukcja szumu kwantowego za pomocą sprężyn optycznych
„Szum kwantowy stał się ograniczającym źródłem hałasu podczas pomiarów fal grawitacyjnych” – powiedział Scott M. Aronson, członek zespołu badawczego z Louisiana State University. „Dostrajając system tak, aby reagował na żądaną częstotliwość, pokazujemy, że można zredukować ten szum za pomocą sprężyny optycznej do śledzenia sygnału pochodzącego z kompaktowego systemu binarnego. W przyszłości ten układ podwójny może składać się z dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie – w naszej galaktyce lub poza nią.”
W czasopiśmie Optica Publishing Group Litery optykinaukowcy pod kierunkiem Thomasa Corbitta z Louisiana State University we współpracy z LIGO Laboratorium w Kalifornijskim Instytucie Technologii (Caltech) i Rozwiązania krystaliczne Thorlabs zgłosili eksperyment weryfikujący koncepcję pokazujący, że dynamiczne śledzenie może pomóc w zmniejszeniu szumu w detektorze fal grawitacyjnych.
„To pierwszy pomiar sprężyny optycznej śledzącej sygnał celu w czasie” – powiedział Aronson, pierwszy autor artykułu. „Ta technika dynamicznego śledzenia jest mocnym kandydatem do kwantowej redukcji szumów w przyszłości. Niezależnie od tego, czy chodzi o obecne interferometry, takie jak LIGO, czy przyszłe detektory, takie jak Cosmic Explorer, warto zbadać śledzenie sprężyn optycznych, aby poprawić czułość i wspierać naszą stale rosnącą populację zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi.
Eksperymentowanie z dynamiką sprężyn optycznych
Kiedy dwa krążące wokół obiektów, takie jak czarne dziury, emitują fale grawitacyjne, ich częstotliwość rotacyjna wzrasta, tworząc zjawisko zwane ćwierkaniem. Zaproponowano, że dopasowanie częstotliwości tego ćwierkania do przestrajalnej sprężyny optycznej mogłoby zmniejszyć szum i poprawić klarowność sygnału obserwatorium fal grawitacyjnych.
Chociaż pomysł ten jest badany pod kątem przyszłych konfiguracji interferometrów, Aronson i współpracownicy zdecydowali się przeprowadzić eksperyment weryfikujący koncepcję, aby zademonstrować potencjał dynamicznego śledzenia w systemach o większej skali, takich jak obserwatorium fal grawitacyjnych. Prace prowadzono w ramach współpracy naukowej LIGO i większej współpracy LIGO/Virgo/KAGRA (LVK).
Aby to osiągnąć, współautor Garrett D. Cole z Thorlabs Crystalline Solutions skonstruował wspornik o wadze zaledwie 50 nanogramów, używając warstw arsenku glinowo-galowego i arsenku galu. Wspornik działa jak zwierciadło, które może „wyczuć” ciśnienie promieniowania wytwarzanego przez wiązkę lasera, tworząc sprężynę optyczną, która umożliwia badaczom zbadanie wzajemnego oddziaływania ciśnienia promieniowania światła lasera z ruchem wspornika.
Zwiększanie przejrzystości sygnału poprzez dynamiczne śledzenie
Aby przetestować system śledzenia, badacze symulowali nadchodzącą falę grawitacyjną, osadzając sygnał celu w fazie wiązki laserowej. Wykorzystali alternatywny sygnał do kontrolowania położenia większego ruchomego lustra we wnęce optycznej. Częstotliwość sprężyny optycznej można dostroić, dostosowując odległość między zwierciadłem a wspornikiem.
Podczas eksperymentu badacze przesuwali lustro, aby „śledzić” docelowy sygnał, gdy jego częstotliwość zmieniała się z 40 kHz do 100 kHz w ciągu 10 sekund. Porównując to podejście do utrzymywania zwierciadła nieruchomego, wykazano, że śledzenie sygnału za pomocą ruchomego zwierciadła zwiększa stosunek sygnału do szumu nawet 40-krotnie, zapewniając wyraźniejszy pomiar.
Naukowcy zauważają, że wdrożenie techniki śledzenia dynamicznego w interferometrze na dużą skalę wymagałoby bardzo solidnej kontroli ze sprzężeniem zwrotnym wszystkich elementów optycznych. Może to być szczególnie trudne, ponieważ wraz ze wzrostem poziomu mocy ciśnienie promieniowania staje się krytyczne dla utrzymania precyzyjnego położenia zwierciadeł. Technika ta wymaga również wcześniejszej informacji o nadchodzącej fali grawitacyjnej, którą można uzyskać za pomocą proponowanych detektorów kosmicznych, takich jak LISA.
„Ta technika dynamicznego śledzenia stanowi znaczący krok w kierunku zwiększenia czułości detektorów fal grawitacyjnych, przybliżając nas do odkrycia tajemnic najwcześniejszych chwil Wszechświata” – powiedział Aronson. „Dzięki przyszłym generacjom detektorów fal grawitacyjnych będziemy mieli możliwość poznania łączenia się zwartych obiektów powstałych przez gwiazdy pierwszej generacji lub nawet bardziej egzotycznych obiektów, takich jak pierwotne czarne dziury powstałe wkrótce po powstaniu Wielki Wybuch.”
Odniesienie: „Optyczne śledzenie sprężyny w celu ulepszania interferometrów o ograniczeniach kwantowych” autorstwa Scotta Aronsona, Thomasa Corbitta, Torreya Cullena, Garretta D. Cole’a i Ronalda Pagano, 14 grudnia 2024 r., Litery optyki.
DOI: doi:10.1364/OL.540195
