Το LIGO πιέζει το φως για να μετρήσει περισσότερους κυματισμούς στο χωροχρόνο

Τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, όπως το Παρατηρητήριο Gravitational Wave Wave (LIGO), είναι ασκήσεις εξαιρετικής ευαισθησίας. Τα δύο πειραματικά αυτιά του LIGO – ένα στη Λουιζιάνα και ένα άλλο στην πολιτεία της Ουάσιγκτον – ακούνε κυματισμούς στο χωροχρόνο που αφήνουν πίσω αντικείμενα που περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων. Για να γίνει αυτό, το LIGO παρακολουθεί προσεκτικά για μικρές διακυμάνσεις στις ακτίνες λέιζερ μήκους χιλιομέτρων. Η πρόκληση είναι ότι τα πάντα, από τα τρακτέρ που βουίζουν μέχρι τον καιρό μέχρι τον κβαντικό θόρυβο μπορούν να προκαλέσουν δικές τους αναταραχές. Ένα τεράστιο μέρος της παρατήρησης των βαρυτικών κυμάτων είναι η επιστήμη της εξάλειψης του ανεπιθύμητου θορύβου.

Τώρα, μετά από έναν γύρο αναβαθμίσεων, και τα δύο αυτιά του LIGO μπορούν να ακούσουν 60 τοις εκατό περισσότερα συμβάντα από ποτέ. Πολλά από τα εύσημα πηγαίνουν σε ένα σύστημα που διορθώνει τον ελάχιστα αντιληπτό κβαντικό θόρυβο πιέζοντας κυριολεκτικά το φως.

Οι φυσικοί και οι μηχανικοί ασχολούνται με τη συμπίεση φωτός στο εργαστήριο εδώ και δεκαετίες και η δουλειά τους δείχνει πραγματικά αποτελέσματα. «Δεν είναι πια διαδήλωση», λέει

Λι ΜακΚάλλερ

, φυσικός στο Caltech. «Στην πραγματικότητα το χρησιμοποιούμε». Ο McCuller και οι συνεργάτες του θα δημοσιεύσουν την

εργασία

τους στο περιοδικό

Φυσική Ανασκόπηση Χ

στις 30 Οκτωβρίου.

Τα βαρυτικά κύματα είναι μια περίεργη περιέργεια για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα, όπως προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα. Καθώς ένας βράχος που πέφτει ρίχνει κυματισμούς στο νερό, αρκετά θεαματικά γεγονότα – ας πούμε, δύο μαύρες τρύπες ή δύο αστέρια νετρονίων που συγχωνεύονται μεταξύ τους – ρίχνουν κύματα στον ιστό του χωροχρόνου. Η ακρόαση αυτών των βαρυτικών κυμάτων επιτρέπει στους αστρονόμους να κρυφοκοιτάξουν ογκώδη αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων που διαφορετικά είναι δύσκολο να τα δουν καθαρά. Οι

επιστήμονες

μπορούν να το καταφέρουν μόνο χάρη σε συσκευές όπως το LIGO.

Τα αυτιά του LIGO έχουν σχήμα πολύ μεγάλου L, τα χέρια τους έχουν μήκος ακριβώς 4 χιλιόμετρα (2,49 μίλια). Μια ακτίνα λέιζερ, χωρισμένη στα δύο, ταξιδεύει το καθένα κάτω από έναν από τους βραχίονες. Αυτές οι δέσμες αναπηδούν από έναν καθρέφτη στο μακρινό άκρο και επιστρέφουν πίσω στην κορυφή, όπου μπορούν να ανασυνδυαστούν σε μια ενιαία δέσμη. Μικροσκοπικές μετατοπίσεις στον χωροχρόνο -τα βαρυτικά κύματα- μπορούν να τεντώσουν και να πιέσουν διακριτικά και τους δύο βραχίονες, χαράσσοντας μοτίβα στο φως της ανασυνδυασμένης δέσμης.

Οι μετατοπίσεις του μήκους είναι εξαιρετικά λεπτές, πολύ μικρές για να ονειρευόμαστε να τις δούμε με γυμνό μάτι. Το έργο της ανίχνευσης μιας τέτοιας μικρής μετατόπισης γίνεται ακόμη πιο δύσκολο όταν οι ανιχνευτές LIGO είναι επιρρεπείς σε σεισμούς, καιρικές συνθήκες και ανθρώπινη δραστηριότητα, τα οποία δημιουργούν θόρυβο που κροταλίζει τους καθρέφτες ή ανακινεί τις ακτίνες λέιζερ.

Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει τρόπους για να κόψουν όλο αυτόν τον θόρυβο. Μπορούν να κρατήσουν τους βραχίονες σε κενό, χωρίς κάθε άλλη ύλη, για να αποτρέψουν τα ηχητικά κύματα. Μπορούν να αναρτήσουν τους καθρέφτες για να τους απομονώσουν από τους κραδασμούς. Μπορούν να μετρήσουν τον θόρυβο του εξωτερικού κόσμου και να προσαρμόσουν ανάλογα τα όργανα, όπως ένα πολύ μεγάλο ακουστικό ακύρωσης θορύβου.

Αλλά κάτι που αυτές οι μέθοδοι δεν μπορούν να φιλτράρουν είναι η κβαντική φυσική. Ακόμη και σε ένα τέλειο κενό, η εγγενής τυχαιότητα του σύμπαντος στις πιο μικροσκοπικές του κλίμακες -σωματίδια που μπαίνουν και βγαίνουν από την ύπαρξη- αφήνει το σημάδι της. “Έχετε μια φυσική διακύμανση στο επίπεδο της μέτρησής σας που μπορεί να κρύψει ένα ασθενές σήμα βαρυτικού κύματος”, λέει

Πάτρικ Σάτον

αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ, μέλος της συνεργασίας LIGO-Virgo που δεν ήταν συγγραφέας της νέας μελέτης.

[Related: We’ve recorded a whopping 35 gravitational wave

events

in just 5 months]

Το LIGO εντόπισε τα πρώτα επιβεβαιωμένα βαρυτικά κύματα το 2016. Περίπου την ίδια περίοδο, οι χειριστές του σκέφτονταν τρόπους για να εξαλείψουν τις κβαντικές διαταραχές. Οι φυσικοί μπορούν να χειριστούν το φως παγιδεύοντάς το μέσα σε έναν κρύσταλλο και «συμπιέζοντάς» το. Εγκατέστησαν έναν τέτοιο κρύσταλλο και στους δύο ανιχνευτές LIGO εγκαίρως για τον τρίτο γύρο ανιχνεύσεων του αστεροσκοπείου, ο οποίος ξεκίνησε το 2019.

Η αναβάθμιση επέτρεψε στο LIGO να λειτουργεί με φως λέιζερ με υψηλότερες συχνότητες. Αλλά η συμπίεση φωτός όπως αυτό είχε ένα κόστος: καθιστούσε πιο δύσκολη την ανάγνωση φωτός χαμηλότερης συχνότητας. Αυτό είναι προβληματικό, επειδή τα βαρυτικά κύματα από γεγονότα που μπορούμε να ανιχνεύσουμε —όπως οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών— τείνουν να παράγουν αρκετό φως χαμηλότερης συχνότητας στο LIGO.

Έτσι, αφού ο

COVID

-19 ανάγκασε το LIGO να κλείσει στα μέσα του 2020, οι χειριστές του πρόσθεσαν έναν νέο θάλαμο στη διάταξη συμπίεσης τους. Αυτός ο θάλαμος επιτρέπει μια πιο προσαρμοστική προσέγγιση, χειριζόμενη διαφορετικές ιδιότητες του φωτός σε διαφορετικές συχνότητες. Για να γίνει αυτό, ο θάλαμος πρέπει να παγιδεύει το φως για 3 χιλιοστά του δευτερολέπτου – αρκετός χρόνος για να διανύσει το φως εκατοντάδες μίλια. Ο θάλαμος άρχισε να λειτουργεί όταν η τέταρτη, τρέχουσα λειτουργία παρατήρησης του LIGO ενεργοποιήθηκε νωρίτερα αυτό το έτος.

«Χρειάστηκε πολλή δουλειά μηχανικής και σχεδιασμού και προσεκτική σκέψη για να γίνει αυτή μια αναβάθμιση που κάνει τη δουλειά της και βελτιώνει το συμπίεση, αλλά δεν εισάγει νέο θόρυβο», λέει ο McCuller.

Και

οι δύο ανιχνευτές του LIGO μπορούν τώρα να συλλάβουν βαρυτικά κύματα από πιο μακριά στο σύμπαν και από μια ευρύτερη περιοχή του διαστήματος. Το LIGO ακούει τώρα περίπου 60 με 70 τοις εκατό περισσότερα συμβάντα, σύμφωνα με τον Sutton. Η καλύτερη ευαισθησία επιτρέπει επίσης στους αστρονόμους να μετρούν τα βαρυτικά κύματα με πολύ αυξημένη ακρίβεια, κάτι που τους επιτρέπει να δοκιμάσουν τη θεωρία της γενικής σχετικότητας. «Είναι ένα σημαντικό άλμα», λέει ο Sutton.

[Related: Astronomers now know how supermassive black holes blast us with energy]

Ο συνάδελφος ανιχνευτής του LIGO στην Ευρώπη,

Παρθένος

, εφαρμόζει την ίδια εξαρτώμενη από τη συχνότητα συμπίεση με βάση την έρευνα των επιστημόνων της. “Δεν γνωρίζουμε επί του παρόντος καμία άλλη τεχνική που μπορεί να βελτιώσει αυτήν την τεχνική”, λέει ο McCuller. «Όσον αφορά τις νέες τεχνικές, αυτή είναι η καλύτερη που ξέρουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη στιγμή».

Όλα τα συμβάντα βαρυτικών κυμάτων που έχουμε δει μέχρι στιγμής προήλθαν από δύο μαύρες τρύπες ή δύο αστέρια νετρονίων που αναδύθηκαν: δυνατά, βίαια γεγονότα που αφήνουν εξίσου βίαιες πιτσιλιές. Αλλά οι ακροατές βαρυτικών κυμάτων θα ήθελαν να χρησιμοποιήσουν βαρυτικά κύματα για να ακούσουν και άλλα γεγονότα, όπως σουπερνόβα, εκρήξεις ακτίνων γάμμα και πάλσαρ. Δεν έχουμε φτάσει ακόμα εκεί, αλλά το στρίμωγμα μπορεί να μας φέρει πιο κοντά, επιτρέποντάς μας να εκμεταλλευτούμε πλήρως το υλικό που διαθέτουμε.

«Το κλειδί εκεί είναι απλώς να κάνουμε τους ανιχνευτές όλο και πιο ευαίσθητους – να φέρουμε αυτόν τον θόρυβο κάτω και κάτω και κάτω – έως ότου, τελικά αρχίσουμε να βλέπουμε μερικούς», λέει ο Sutton. «Νομίζω ότι θα είναι πολύ συναρπαστικές μέρες».