Новая технология улучшает детекторы гравитационных волн, сокращая квантовый шум

Физики успешно разработали новый инструмент, который значительно уменьшает шум на квантовом уровне, который до сих пор ограничивал способность экспериментов обнаруживать гравитационные волны. Считается, что столкновения между массивными черными дырами и звездами порождают эти колебания в пространстве-времени, которые были впервые обнаружены в 2015 году. Всего на сегодняшний день было полностью подтверждено около 11 случаев обнаружения.
Данное устройство знаменует собой значительное улучшение гравитационно-волновой обсерватории лазерного интерферометра, или LIGO, увеличивая дальность его обнаружения на 15%. Поскольку небо - это сфера, ученые ожидают, что смогут обнаружить примерно на 50% больше гравитационных волн. Теперь они предсказывают, что они поймают десятки этих редко обнаруживаемых событий во время продолжающегося эксперимента LIGO до апреля 2020 года, что может изменить их понимание явлений. Коллектив опубликовал свои выводы сегодня в журнале Physical Review Letters.

"Это действительно поворотный момент, потому что теперь мы действительно можем делать статистику" со всеми этими обнаружениями, - сказала Лиза Барсотти, астрофизик MIT и один из ученых, ведущих усилия. "Вот почему сейчас наступает новая эра в гравитационно-волновой астрономии."

Детекторы LIGO в Хэнфорде, Вашингтон и Ливингстон, Луизиана обнаруживают входящую гравитационную волну с помощью гигантских интерферометров. Они включают лазеры, отражающиеся от зеркал и перемещающиеся вдоль двух Г-образных плеч длиной 4 километра.

Но способность физиков обнаруживать такой крошечный сигнал ограничена кажущимся непреодолимым квантовым шумом из-за случайных флуктуаций, которые слегка модулируют время прибытия фотонов, мельчайших квантовых битов лазерного света. Чтобы исправить это, Барсотти и ее коллеги используют квантовый «сжиматель», кристалл в полости плеч интерферометра, который управляет взаимодействиями между лазером и квантовым вакуумом и вызывает меньшие флуктуации между фотонами.

Это достижение объединило опыт в квантовой физике и астрофизике и позволяет более чувствительно обнаруживать черные дыры и чрезвычайно плотные нейтронные звезды, когда они врезаются друг в друга. Другие сталкивающиеся объекты, такие как взрывы сверхновых и более типичные звезды, создают гравитационные волны, которые все еще слишком малы, чтобы их можно было использовать в современных технологиях.

Подобные устройства квантового сжатия также испытываются европейскими коллегами LIGO в Advanced Virgo с использованием детекторов, построенных в северной Италии. Барсотти предсказывает, что квантовый сжатый свет станет стандартом для всех детекторов следующего поколения, таких как предлагаемый Космический Исследователь, у которого руки вытянуты на 40 километров по земле, что еще больше увеличит его чувствительность.