Nog maar een jaar geleden, het door de National Science Foundation gefinancierde Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, of LIGO, pikte ongeveer elke maand gefluister van zwaartekrachtsgolven op. Nutsvoorzieningen, een nieuwe toevoeging aan het systeem stelt de instrumenten in staat deze rimpelingen bijna wekelijks in de ruimtetijd te detecteren.

Sinds de start van de derde operationele run van LIGO in april, een nieuw instrument dat bekend staat als een kwantumvacuümpers heeft wetenschappers geholpen tientallen zwaartekrachtsgolfsignalen te onderscheiden, waaronder een die lijkt te zijn gegenereerd door een binaire neutronenster - de explosieve samensmelting van twee neutronensterren.

de knijper, zoals wetenschappers het noemen, was ontworpen, gebouwd, en geïntegreerd met LIGO's detectoren door MIT-onderzoekers, samen met medewerkers van Caltech en de Australian National University, die de werking ervan beschrijven in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd? Fysieke beoordelingsbrieven .

Wat het instrument "knijpt" is kwantumruis - oneindig kleine fluctuaties in het vacuüm van de ruimte die in de detectoren terechtkomen. De signalen die LIGO detecteert zijn zo klein dat deze kwantum, anders kunnen kleine schommelingen een vervuilend effect hebben, mogelijk vertroebelend of volledig maskerend inkomende signalen van zwaartekrachtgolven.

"Waar de kwantummechanica een rol speelt, heeft te maken met het feit dat de laser van LIGO is gemaakt van fotonen, " legt hoofdauteur Maggie Tse uit, een afgestudeerde student aan het MIT. "In plaats van een continue stroom laserlicht, als je goed genoeg kijkt, is het eigenlijk een luidruchtige parade van individuele fotonen, elk onder invloed van vacuümschommelingen. Terwijl een continue lichtstroom een ​​constant gezoem in de detector zou veroorzaken, de individuele fotonen komen elk met een kleine 'knal' bij de detector aan."

"Deze kwantumruis is als een popcorngekraak op de achtergrond dat in onze interferometer kruipt, en is zeer moeilijk te meten, " voegt Nergis Mavalvala toe, de Marble Professor of Astrophysics en associate head van de Department of Physics aan het MIT.

Met de nieuwe perstechnologie, LIGO heeft dit verwarrende kwantumgekraak weggeschoren, het bereik van de detectoren met 15 procent vergroten. Gecombineerd met een toename van het laservermogen van LIGO, dit betekent dat de detectoren een zwaartekrachtgolf kunnen detecteren die wordt gegenereerd door een bron in het universum tot ongeveer 140 megaparsec, of meer dan 400 miljoen lichtjaar verwijderd. Dit uitgebreide bereik heeft LIGO in staat gesteld om bijna wekelijks zwaartekrachtsgolven te detecteren.

"Als de detectiesnelheid omhoog gaat, niet alleen begrijpen we meer over de bronnen die we kennen, omdat we meer te bestuderen hebben, maar ons potentieel om onbekende dingen te ontdekken komt binnen, " zegt Mavalvala, een oud lid van het wetenschappelijke team van LIGO. "We werpen een breder net uit."

De hoofdauteurs van de nieuwe paper zijn afgestudeerde studenten Maggie Tse en Haocun Yu, en Lisa Barsotti, een hoofdonderzoeker aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, samen met anderen in de LIGO Wetenschappelijke Samenwerking.

Kwantumlimiet

LIGO bestaat uit twee identieke detectoren, een in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana. Elke detector bestaat uit twee 4 kilometer lange tunnels, of armen, elk strekt zich uit van de andere in de vorm van een "L."

Om een ​​zwaartekrachtgolf te detecteren, wetenschappers sturen een laserstraal vanuit de hoek van de L-vormige detector, langs elke arm, aan het uiteinde is een spiegel opgehangen. Elke laser kaatst tegen zijn respectieve spiegel en reist terug langs elke arm naar waar hij begon. Als een zwaartekrachtgolf door de detector gaat, het moet een of beide posities van de spiegels verschuiven, wat op zijn beurt de timing van de aankomst van elke laser bij zijn oorsprong zou beïnvloeden. Deze timing is iets dat wetenschappers kunnen meten om een ​​zwaartekrachtgolfsignaal te identificeren.

De belangrijkste bron van onzekerheid in de metingen van LIGO komt van kwantumruis in het omringende vacuüm van een laser. Hoewel een vacuüm doorgaans wordt gezien als een niets, of leegte in de ruimte, natuurkundigen begrijpen het als een toestand waarin subatomaire deeltjes (in dit geval fotonen) worden voortdurend gemaakt en vernietigd, verschijnen en vervolgens zo snel verdwijnen dat ze uiterst moeilijk te detecteren zijn. Zowel het tijdstip van aankomst (fase) als het aantal (amplitude) van deze fotonen zijn even onbekend, en even onzeker, waardoor het voor wetenschappers moeilijk wordt om zwaartekrachtsgolfsignalen te onderscheiden van de resulterende achtergrond van kwantumruis.

En toch, dit kwantumgekraak is constant, en terwijl LIGO verder probeert te detecteren, zwakkere signalen, deze kwantumruis is meer een beperkende factor geworden.

"De meting die we doen is zo gevoelig dat het kwantumvacuüm ertoe doet, ’ merkt Barsotti op.

De druk zetten op "spookachtig" geluid

Het onderzoeksteam van MIT begon meer dan 15 jaar geleden met het ontwerpen van een apparaat om de onzekerheid in kwantumruis weg te nemen. om zwakkere en verder weg gelegen gravitatiegolfsignalen te onthullen die anders de kwantumruis zouden worden begraven.

Quantum knijpen was een theorie die voor het eerst werd voorgesteld in de jaren tachtig, het algemene idee is dat kwantumvacuümruis kan worden weergegeven als een sfeer van onzekerheid langs twee hoofdassen:fase en amplitude. Als deze bol zou worden samengeknepen, als een stressbal, op een manier die de bol langs de amplitude-as vernauwde, dit zou in feite de onzekerheid in de amplitudetoestand van een vacuüm (het samengedrukte deel van de stressbal) verkleinen, terwijl de onzekerheid in de fasetoestand toeneemt (verplaatste stressbal, opgezwollen gedeelte). Aangezien het voornamelijk de fase-onzekerheid is die ruis bijdraagt ​​aan LIGO, het verkleinen ervan zou de detector gevoeliger kunnen maken voor astrofysische signalen.

Toen de theorie bijna 40 jaar geleden voor het eerst werd voorgesteld, een handvol onderzoeksgroepen probeerden in het laboratorium kwantumknijpinstrumenten te bouwen.

"Na deze eerste demonstraties, het werd stil, ' zegt Mavalvala.

"De uitdaging bij het bouwen van knijpers is dat de geperste vacuümtoestand erg kwetsbaar en delicaat is, "Tse voegt eraan toe. "De uitgeknepen bal pakken, in een stuk, van waar het wordt gegenereerd tot waar het wordt gemeten, is verrassend moeilijk. Elke misstap, en de bal kan direct terugkaatsen naar zijn onuitgeperste staat."

Vervolgens, rond 2002, net toen de detectoren van LIGO begonnen te zoeken naar zwaartekrachtsgolven, onderzoekers van MIT begonnen na te denken over kwantumknijpen als een manier om de ruis te verminderen die mogelijk een ongelooflijk zwak zwaartekrachtsgolfsignaal zou kunnen maskeren. Ze ontwikkelden een voorlopig ontwerp voor een vacuümpers, die ze in 2010 hebben getest op de Hanford-site van LIGO. Het resultaat was bemoedigend:het instrument slaagde erin de signaal-ruisverhouding van LIGO te versterken - de sterkte van een veelbelovend signaal versus de achtergrondruis.

Vanaf dat moment, het team, onder leiding van Tse en Barsotti, heeft zijn ontwerp verfijnd, en ingebouwde en geïntegreerde knijpers in beide LIGO-detectoren. Het hart van de squeezer is een optische parametrische oscillator, of OPO - een vlinderdasvormig apparaat dat een klein kristal vasthoudt in een configuratie van spiegels. Als de onderzoekers een laserstraal op het kristal richten, de atomen van het kristal vergemakkelijken interacties tussen de laser en het kwantumvacuüm op een manier die hun eigenschappen van fase versus amplitude herschikt, het creëren van een nieuwe, "geperst" vacuüm dat vervolgens langs elke arm van de detector verder gaat zoals het normaal zou doen. Dit uitgeknepen vacuüm heeft kleinere fasefluctuaties dan een gewoon vacuüm, waardoor wetenschappers zwaartekrachtgolven beter kunnen detecteren.

Naast het vergroten van het vermogen van LIGO om zwaartekrachtsgolven te detecteren, de nieuwe kwantumpers kan wetenschappers ook helpen om informatie te extraheren over de bronnen die deze golven produceren.

"We hebben een spookachtig kwantumvacuüm dat we kunnen manipuleren zonder de natuurwetten te schenden, en we kunnen dan een verbeterde meting doen, ', zegt Mavalvala. 'Het vertelt ons dat we soms een eindje door de natuur kunnen rennen. Niet altijd, maar soms."