Et internasjonalt team av fysikere har laget en liten interferometerbasert bevegelsessensor som kan brukes til å øke ytelsen til gravitasjonsbølgedetektorer. Den centimeter store enheten kan måle forskyvningen av testmasser med sub-pikometer presisjon ved lave frekvenser. Forskerne tror at deres tekniske innovasjoner kan føre til nye muligheter innen gravitasjonsbølgedeteksjon – slik at astronomer kan observere hendelser som så langt har vært skjult av støy. Det kan også brukes på andre felt, inkludert seismologi og metrologi.
LIGO- og Virgo-observatoriene er kilometerstore interferometre som oppdager gravitasjonsbølger ved å overvåke posisjonene til store speil, som gjennomgår eksepsjonelt små forskyvninger når en gravitasjonsbølge passerer gjennom jorden. Så langt har de fanget opp dusinvis av signaler fra gravitasjonsbølger – hovedsakelig som stammer fra sammenslåingen av par av stjerne-masse sorte hull. Basert på denne første suksessen håper astronomer nå å oppdage gravitasjonsbølgene med lavere frekvens som genereres av sammenslåingen av mye større svarte hull med mellommasse, som er hundrevis eller til og med tusenvis av ganger solens masse.
Dessverre hindrer seismikk og annen støy for tiden LIGO og Jomfruen fra å nå den nødvendige følsomheten som trengs for å måle disse lavfrekvente signalene. Effekten av denne støyen kan til en viss grad kontrolleres ved å overvåke og dempe bevegelsene den forårsaker i speilene og andre komponenter i observatoriene.
Kommersielle komponenter
Nå, Jiri Smetana ved University of Birmingham og kolleger har brukt kommersielt tilgjengelige optiske komponenter for å lage en forskyvningsdetektor som de sier er egnet for disse støydempende systemene.
Sensoren består av to Michelson-interferometre som drives av en enkelt laser. Hvert interferometer består av et følehode og et speil. Et av sansehodene er en del av en tilbakemeldingssløyfe som stabiliserer frekvensen til laseren, og dermed øker ytelsen til systemet.
Kvanteklemming øker ytelsen til LIGO og Virgo gravitasjonsbølgedetektorer
Teamet brukte en teknikk kalt dyp frekvensmodulasjon for å beregne forskyvningen av speilene fra de målte interferometerkantene. Denne teknikken lar små bevegelser over et bredt spekter av frekvenser oppdages. Faktisk hadde systemet en følsomhet på 0.3 pm/√Hz ved en frekvens på 1 Hz og er 300 ganger bedre enn én type sensor som for tiden brukes i LIGO.
Sensoren er bare flere centimeter stor, noe som gjør den til en passende kandidat for fremtidige oppgraderinger av eksisterende gravitasjonsbølgedetektorer – oppgraderinger som kan implementeres med minimal innvirkning på deres eksisterende infrastruktur.
Med disse forbedringene på plass, foreslår forskerne at astronomer kan være i stand til å oppdage fusjoner mellom mellomstore sorte hull for første gang. Å ha muligheten til å måle signaler med lavere frekvens vil også være nyttig for multimessenger-astronomi, slik at signaler kan oppdages lenger i forkant av sammenslåingshendelser. Sensoren kan også finne bruk i andre instrumenter som oppdager små forskyvninger – som torsjonsbalanser og seismometre.
Forskningen er beskrevet i Fysisk gjennomgang anvendt.
