Sinds de baanbrekende detectie van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), in 2015, zwaartekrachtgolven geproduceerd door een paar botsende zwarte gaten, het observatorium, samen met haar Europese partnerfaciliteit Virgo, heeft tientallen soortgelijke kosmische gerommel gedetecteerd die rimpelingen door ruimte en tijd sturen.

In de toekomst, naarmate er meer en meer upgrades worden gedaan aan de door de National Science Foundation gefinancierde LIGO-observatoria - een in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana - de faciliteiten zullen naar verwachting steeds grotere aantallen van deze extreme kosmische gebeurtenissen detecteren. Deze waarnemingen zullen helpen bij het oplossen van fundamentele mysteries over ons universum, zoals hoe zwarte gaten ontstaan ​​en hoe de ingrediënten van ons universum worden vervaardigd.

Een belangrijke factor bij het verhogen van de gevoeligheid van de observatoria zijn de coatings op de glazen spiegels die in het hart van de instrumenten liggen. Elke spiegel van 40 kilogram (er zijn er vier in elke detector bij de twee LIGO-observatoria) is bedekt met reflecterende materialen die het glas in wezen in spiegels veranderen. De spiegels reflecteren laserstralen die gevoelig zijn voor passerende zwaartekrachtgolven.

Over het algemeen, hoe meer reflecterend de spiegels, hoe gevoeliger het instrument, maar er is een addertje onder het gras:de coatings die de spiegels reflecterend maken, kunnen ook leiden tot achtergrondruis in het instrument - ruis die zwaartekrachtgolfsignalen van belang maskeert.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie van het LIGO-team beschrijft een nieuw type spiegelcoating gemaakt van titaniumoxide en germaniumoxide, en schetst hoe het achtergrondgeluid in de spiegels van LIGO met een factor twee kan verminderen, waardoor het ruimtevolume dat LIGO kan onderzoeken met een factor acht wordt vergroot.

"We wilden een materiaal vinden aan de rand van wat vandaag mogelijk is, " zegt Gabriele Vajente, een LIGO senior research scientist bij Caltech en hoofdauteur van een paper over het werk dat in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven . "Ons vermogen om de astronomisch grote schaal van het universum te bestuderen, wordt beperkt door wat er in deze zeer kleine microscopische ruimte gebeurt."

"Met deze nieuwe coatings, we verwachten de detectiesnelheid van zwaartekrachtgolven te kunnen verhogen van een keer per week naar een keer per dag of vaker, " zegt David Reitze, uitvoerend directeur van LIGO Laboratory bij Caltech.

Het onderzoek, die toekomstige toepassingen kunnen hebben op het gebied van telecommunicatie en halfgeleiders, was een samenwerking tussen Caltech; Colorado Staatsuniversiteit; de Universiteit van Montreal; en Stanford University, waarvan de synchrotron in het SLAC National Accelerator Laboratory werd gebruikt bij de karakterisering van de coatings.

LIGO detecteert rimpelingen in de ruimte-tijd met behulp van detectoren die interferometers worden genoemd. In deze opstelling, een krachtige laserstraal wordt in tweeën gesplitst:elke straal gaat langs een arm van een grote L-vormige vacuümbehuizing naar spiegels op 4 kilometer afstand. De spiegels reflecteren de laserstralen terug naar de bron waar ze vandaan kwamen. Als zwaartekrachtgolven voorbij komen, ze zullen de ruimte uitrekken en samendrukken met bijna onmerkbare en toch detecteerbare hoeveelheden (veel minder dan de breedte van een proton). De verstoringen veranderen de timing van de aankomst van de twee laserstralen terug bij de bron.

Elke trilling in de spiegels zelf - zelfs de microscopische thermische trillingen van de atomen in de coatings van de spiegels - kan de timing van de aankomst van de laserstralen beïnvloeden en het moeilijk maken om de zwaartekrachtgolfsignalen te isoleren.

"Elke keer dat licht tussen twee verschillende materialen passeert, een fractie van dat licht wordt gereflecteerd, " zegt Vajente. "Dit is hetzelfde wat er in je ramen gebeurt:je kunt je vage reflectie in het glas zien. Door meerdere lagen van verschillende materialen toe te voegen, we kunnen elke reflectie versterken en onze spiegels tot 99,999 procent reflecterend maken."

"Wat belangrijk is aan dit werk, is dat we een nieuwe manier hebben ontwikkeld om de materialen beter te testen, " zegt Vajente. "We kunnen nu in ongeveer acht uur de eigenschappen van een nieuw materiaal testen, volledig geautomatiseerd, toen het bijna een week duurde. Hierdoor konden we het periodiek systeem verkennen door veel verschillende materialen en veel combinaties uit te proberen. Sommige materialen die we probeerden, werkten niet, maar dit gaf ons inzicht in welke eigenschappen belangrijk kunnen zijn."

Uiteindelijk, de wetenschappers ontdekten dat een coatingmateriaal gemaakt van een combinatie van titaniumoxide en germaniumoxide de minste energie dissipeerde (het equivalent van het verminderen van thermische trillingen).

"We hebben het fabricageproces aangepast om te voldoen aan de strenge eisen op het gebied van optische kwaliteit en verminderde thermische ruis van de spiegelcoatings, " zegt Carmen Menoni, professor aan de Colorado State University en lid van de LIGO Scientific Collaboration. Menoni en haar collega's van de staat Colorado gebruikten een methode die ionenbundelsputteren wordt genoemd om de spiegels te coaten. In dit proces, atomen van titanium en germanium worden weggepeld van een bron, gecombineerd met zuurstof, en vervolgens op het glas afgezet om dunne lagen atomen te creëren.

De nieuwe coating kan worden gebruikt voor de vijfde waarnemingsrun van LIGO, die halverwege het decennium zal beginnen als onderdeel van het Advanced LIGO Plus-programma. In de tussentijd, LIGO's vierde waarnemingsrun, de laatste in de Advanced LIGO-campagne, zal naar verwachting starten in de zomer van 2022.

"Dit is een game changer voor Advanced LIGO Plus, ", zegt Reitze. "En dit is een goed voorbeeld van hoe LIGO sterk afhankelijk is van geavanceerde optica en materiaalwetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling. Dit is de grootste vooruitgang in de ontwikkeling van optische precisiecoating voor LIGO in de afgelopen 20 jaar."