Новый документ расширяет ЛИГО досягаемости

Всего год назад, Национальный научный фонд, финансируемый лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории, или ЛИГО, подбирал шепчет гравитационных волн каждый месяц или около того. Теперь, новое дополнение к системе включения приборов для определения этих ряби в пространстве-времени почти каждую неделю.

С начала ЛИГО третьего операционных запустить в апреле новый инструмент, известный как квантовый вакуум соковыжималка помог ученым выделить десятки гравитационно-волновых сигналов, в том числе один, который, кажется, был порожден бинарных нейтронных звезд — взрывное слияние двух нейтронных звезд.

Соковыжималка, как назвали его ученые, был спроектирован, построен и интегрирована с детекторами LIGO путем исследователи Массачусетского технологического института вместе с сотрудниками из Калифорнийского технологического университета и Австралийского национального университета, которые подробно ее работу в статье, опубликованной в журнале письма в ЖЭТФ.

То, что прибор «выдавливает» является квантовый шум — бесконечно малые колебания в безвоздушном пространстве, что делает его в детекторы. Сигналы, которые ЛИГО обнаруживает настолько малы, что эти суммы, в противном случае незначительные колебания могут иметь загрязняющего эффекта, потенциально мутит или полностью маскируя входящие сигналы гравитационных волн.

«Где квантовая механика приходит в относится к тому, что лазер ЛИГО состоит из фотонов», — объясняет ведущий автор Мэгги це, будучи аспирантом Массачусетского технологического института. «Вместо непрерывного потока лазерного света, если вы посмотрите достаточно близко, это на самом деле шумном параде отдельных фотонов, каждый из которых под действием флуктуаций вакуума. В то время как непрерывный поток света будет создавать постоянный шум в детекторе отдельных фотонов, каждый поступают на детектор с немного поп.'»

«Этот квантовый шум как треск попкорна в фоновом режиме, что вползает в нашу интерферометра, и очень трудно измерить», — добавляет зайдите Mavalvala, профессор мраморный астрофизики и заместитель заведующего кафедрой физики в MIT.

С новой технологией соковыжималка, Лиго и сточить этой запутанной квантовой хруст, расширяя диапазон детекторов на 15 процентов. В сочетании с увеличением мощности лазера ЛИГО, это означает, что детекторы могут выбрать гравитационная волна, генерируемая источником во Вселенной примерно 140 мегапарсек, или более чем на 400 миллионов световых лет от нас. Этот расширенный диапазон позволяет ЛИГО для обнаружения гравитационных волн на почти еженедельной основе.

«Когда выявляемость идет вверх, мы не только понять источники мы знаем, потому что мы имеем больше, чтобы изучить, но наш потенциал для открытия новых вещей приходит», — говорит Mavalvala, давний член ЛИГО научного коллектива. «Мы проводим кастинг широкой продажи».

Ведущих авторов нового доклада аспирантов Мэгги цэ и Haocun ю, и Лиза Барзотти, главный научный сотрудник Института Кавли Массачусетского технологического института астрофизики и космических исследований, наряду с другими, в ЛИГО научного сотрудничества.

Квантовый предел

ЛИГО состоит из двух идентичных детекторов, один из которых расположен в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другая в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый детектор состоит из двух 4-километровых туннелей, или оружия, каждая из которых проходит вне от других формы «л».

Чтобы обнаружить гравитационные волны, ученые посылают лазерный луч из угла L-образной детектор, затем вниз по каждой руке, на конце которого подвешивается зеркало. Каждый лазер отскакивает от его соответствующим зеркалом и возвращается вниз каждая рука туда, где все началось. Если гравитационная волна проходит через детектор, он должен переложить одну или обе установки зеркал, которые в свою очередь отразится на времени прибытия каждого лазера обратно в его происхождении. Это время является то, что ученые могут измерить, чтобы определить гравитационно-волновой сигнал.

Основным источником неопределенности в измерениях ЛИГО происходит от квантовых шумов в окружающие лазера вакуума. А вакуум, как правило, воспринимается как небытие или пустота в пространстве, физики понимают как состояние, в котором субатомные частицы (в данном случае фотонов) постоянно создается и разрушается, то появляется, то исчезает так быстро их крайне трудно обнаружить. Как время заезда (этапа) и числа (амплитуды) этих фотонов равно неизвестны, и в равной степени неопределенным, что делает его трудно для ученых, чтобы выбрать гравитационно-волновых сигналов от полученного фоне квантового шума.

И еще, этот квантовый хруста является постоянной, и ЛИГО стремится обнаружить дальше, сигнал слабее, этот квантовый шум стал более сдерживающим фактором.

«Измерения мы делаем это настолько чувствительна, что вопросы квантового вакуума,» Барзотти ноты.

Дожимания на «жуткий» шум

Исследовательская группа из Массачусетского технологического института началась более 15 лет назад для разработки устройства, чтобы протиснуться дальше неопределенность в квантовой шума, выявить слабые и более отдаленные гравитационно-волновых сигналов, которые в противном случае были бы похоронены квантового шума.

Квантовая сжимая теория, согласно которой впервые была предложена в 1980-х годах, генеральная идея в том, что квантовый вакуум может быть представлен как сфера неопределенности по двум основным направлениям: фазы и амплитуды. Если в этой сфере были выжаты, как стресс мяч, так что суженные в сфере амплитуды вдоль оси, по сути это будет означать сокращение неопределенности амплитуды состояния вакуума (сжатая часть стресс мяч), в то время как увеличение неопределенности в фазовое состояние (стресс мяч перемещенных, растянутый часть). Так как это преимущественно неопределенность фазы, что способствует шума до ЛИГО, сужается она может сделать детектор более чувствителен к астрофизических сигналов.

Когда эта теория была впервые предложена почти 40 лет назад, несколько исследовательских групп пытались построить квантовый сжимая инструментов в лаборатории.

«После первых демонстраций, он пошел спокойно,» Mavalvala говорит.

«Проблема с построением соковыжималки заключается в том, что запивая вакуумного состояния очень хрупкие и нежные,» цэ добавляет. «Получение помял мяч, в один кусок, из которого он произведен, где она измеряется на удивление сложно. Любая оплошность, и мяч может отскочить обратно в состояние невыжатых.»

Затем, примерно в 2002 году, как детекторы ЛИГО первым начал поиск гравитационных волн, исследователи из Массачусетского технологического института начал думать о квантовой выдавливание как способ уменьшения шума, который может маска невероятно слабый гравитационно-волновой сигнал. Они разработали предварительный дизайн для вакуумного аппарата, который они проверили в 2010 году на объекте Хэнфорд ЛИГО это. Результат был обнадеживающим: прибор удалось повысить сигнал-шум ЛИГО отношение — прочность перспективный сигнала относительно фонового шума.

С тех пор команда, возглавляемая цэ и Барзотти, имеет изысканный дизайн, и построены и интегрированы соковыжималки в обе детекторы ЛИГО. Сердце соковыжималка оптический параметрический генератор, или ОПО — бабочку-образный устройство, которое содержит небольшой кристалл в конфигурации зеркал. Когда ученые направляют лазерный луч на кристалл, кристалла атомов способствовать взаимодействию лазерного и квантового вакуума таким образом, что изменяет их свойств фазы от амплитуды, создавая новый, «зажали» вакуум, который затем продолжается вниз каждого детектора руку, как обычно. Этот сжал вакуум имеет меньшие колебания фазы, чем обычный вакуум, что позволяет ученым лучше обнаружить гравитационные волны.

В дополнение к увеличению способности ЛИГО, чтобы обнаружить гравитационные волны, новой квантовой соковыжималка может также помочь ученым лучше черпать информацию о тех источниках, которые производят эти волны.

«У нас есть этот жуткий квантовый вакуум, который мы можем манипулировать, фактически не нарушая законов природы, и тогда мы можем сделать улучшенное измерение,» Mavalvala говорит. «Это говорит нам, что мы можем сделать конец-бегать иногда вокруг природа. Не всегда, но иногда».

Это исследование было поддержано в части Национальным научным фондом. ЛИГО был построен Калтеха и MIT.

сделать разницу: спонсорские возможности