Een internationaal team van natuurkundigen heeft een kleine, op interferometer gebaseerde bewegingssensor gemaakt die kan worden gebruikt om de prestaties van zwaartekrachtgolfdetectoren te verbeteren. Het centimetergrote apparaat kan bij lage frequenties de verplaatsing van testmassa's met een nauwkeurigheid van subpicometer meten. De onderzoekers zijn van mening dat hun technische innovaties kunnen leiden tot nieuwe mogelijkheden op het gebied van de detectie van zwaartekrachtgolven, waardoor astronomen gebeurtenissen kunnen observeren die tot nu toe door ruis verborgen zijn gebleven. Het kan ook op andere gebieden worden gebruikt, waaronder seismologie en metrologie.
De LIGO- en Virgo-observatoria zijn kilometerslange interferometers die zwaartekrachtgolven detecteren door de posities van grote spiegels te monitoren, die uitzonderlijk kleine verplaatsingen ondergaan wanneer een zwaartekrachtgolf door de aarde gaat. Tot nu toe hebben ze tientallen signalen van zwaartekrachtsgolven opgepikt, grotendeels afkomstig van de samensmelting van paren zwarte gaten met een enorme massa. Gebaseerd op dit aanvankelijke succes hopen astronomen nu de zwaartekrachtsgolven met een lagere frequentie te kunnen detecteren die worden gegenereerd door de samensmelting van veel grotere zwarte gaten met gemiddelde massa, die honderden of zelfs duizenden keren de massa van de zon hebben.
Helaas verhinderen seismische en andere ruis momenteel dat LIGO en Virgo de vereiste gevoeligheid bereiken die nodig is om deze laagfrequente signalen te meten. Het effect van dit geluid kan tot op zekere hoogte worden beheerst door de bewegingen die het veroorzaakt in de spiegels en andere componenten van de observatoria te monitoren en te dempen.
Commerciële componenten
Nu, Jiri Smetana aan de Universiteit van Birmingham en collega's hebben in de handel verkrijgbare optische componenten gebruikt om een verplaatsingsdetector te creëren die volgens hen geschikt is voor deze ruisonderdrukkingssystemen.
De sensor bestaat uit twee Michelson-interferometers die worden aangedreven door één enkele laser. Elke interferometer omvat een detectiekop en een spiegel. Eén van de detectiekoppen maakt deel uit van een feedbacklus die de frequentie van de laser stabiliseert, waardoor de prestaties van het systeem worden verbeterd.
Kwantumknijpen verbetert de prestaties van LIGO- en Virgo-zwaartekrachtgolfdetectoren
Het team gebruikte een techniek genaamd diepe frequentiemodulatie om de verplaatsing van de spiegels ten opzichte van de gemeten interferometerranden te berekenen. Met deze techniek kunnen kleine bewegingen over een breed frequentiebereik worden gedetecteerd. Het systeem had inderdaad een gevoeligheid van 0.3 pm/√Hz bij een frequentie van 1 Hz en is 300 keer beter dan één type sensor dat momenteel in LIGO wordt gebruikt.
De sensor is slechts enkele centimeters groot, wat hem een geschikte kandidaat maakt voor toekomstige upgrades van bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren – upgrades die kunnen worden geïmplementeerd met minimale impact op hun bestaande infrastructuur.
Nu deze verbeteringen doorgevoerd zijn, suggereren de onderzoekers dat astronomen wellicht voor het eerst samensmeltingen tussen zwarte gaten met gemiddelde massa kunnen detecteren. Het vermogen om signalen met een lagere frequentie te meten zou ook nuttig zijn voor multimessenger-astronomie, waardoor signalen eerder vóór fusiegebeurtenissen kunnen worden gedetecteerd. De sensor zou ook gebruikt kunnen worden in andere instrumenten die kleine verplaatsingen detecteren, zoals torsiebalansen en seismometers.
Het onderzoek is beschreven in Fysieke beoordeling toegepast.
