Et internationalt hold af fysikere har skabt en lille interferometer-baseret bevægelsessensor, der kunne bruges til at øge ydeevnen af gravitationsbølgedetektorer. Den centimeter store enhed kan måle forskydningen af testmasser med sub-picometer præcision ved lave frekvenser. Forskerne mener, at deres tekniske innovationer kan føre til nye muligheder inden for gravitationsbølgedetektion - hvilket gør det muligt for astronomer at observere begivenheder, der hidtil har været skjult af støj. Det kan også bruges inden for andre områder, herunder seismologi og metrologi.
LIGO- og Jomfru-observatorierne er kilometerstore interferometre, der registrerer gravitationsbølger ved at overvåge positionerne af store spejle, som gennemgår usædvanligt små forskydninger, når en gravitationsbølge passerer gennem Jorden. Indtil videre har de opfanget snesevis af signaler fra gravitationsbølger - hovedsageligt stammende fra fusioner af par af stjernemasse sorte huller. Baseret på denne indledende succes håber astronomer nu at detektere de lavfrekvente gravitationsbølger genereret af sammensmeltningen af meget større sorte huller med mellemmasse, som er hundredvis eller endda tusindvis af gange Solens masse.
Desværre forhindrer seismisk og anden støj i øjeblikket LIGO og Jomfruen i at nå den nødvendige følsomhed for at måle disse lavfrekvente signaler. Virkningen af denne støj kan kontrolleres til en vis grad ved at overvåge og dæmpe de bevægelser, den forårsager i spejlene og andre komponenter i observatorierne.
Kommercielle komponenter
Nu Jiri Smetana ved University of Birmingham og kolleger har brugt kommercielt tilgængelige optiske komponenter til at skabe en forskydningsdetektor, som de siger er egnet til disse støjdæmpningssystemer.
Sensoren består af to Michelson interferometre, der drives af en enkelt laser. Hvert interferometer omfatter et følehoved og et spejl. Et af følehovederne er en del af en feedback-loop, der stabiliserer laserens frekvens og derved øger systemets ydeevne.
Kvanteklemning øger ydeevnen af LIGO og Virgo gravitationsbølgedetektorer
Holdet brugte en teknik kaldet dyb frekvensmodulation til at beregne forskydningen af spejlene fra de målte interferometerkanter. Denne teknik gør det muligt at detektere små bevægelser på tværs af en lang række frekvenser. Faktisk havde systemet en følsomhed på 0.3 pm/√Hz ved en frekvens på 1 Hz og er 300 gange bedre end en type sensor, der i øjeblikket bruges i LIGO.
Sensoren er kun flere centimeter stor, hvilket gør den til en velegnet kandidat til fremtidige opgraderinger til eksisterende gravitationsbølgedetektorer – opgraderinger, der kunne implementeres med minimal indvirkning på deres eksisterende infrastruktur.
Med disse forbedringer på plads, foreslår forskerne, at astronomer muligvis vil være i stand til at opdage fusioner mellem sorte huller med mellemmasse for første gang. At have evnen til at måle lavere frekvenssignaler ville også være nyttigt for multimessenger-astronomi, hvilket gør det muligt at detektere signaler længere forud for fusionsbegivenheder. Sensoren kan også finde anvendelse i andre instrumenter, der registrerer små forskydninger - såsom torsionsbalancer og seismometre.
Forskningen er beskrevet i Fysisk gennemgang anvendt.
