Międzynarodowy zespół fizyków stworzył mały interferometryczny czujnik ruchu, który można wykorzystać do zwiększenia wydajności detektorów fal grawitacyjnych. Urządzenie o wielkości centymetra może mierzyć przemieszczenie mas testowych z precyzją subpikometryczną przy niskich częstotliwościach. Naukowcy uważają, że wprowadzone przez nich innowacje techniczne mogą otworzyć nowe możliwości w wykrywaniu fal grawitacyjnych, umożliwiając astronomom obserwację zdarzeń, które do tej pory pozostawały zasłonięte przez szum. Można je również zastosować w innych dziedzinach, w tym w sejsmologii i metrologii.
Obserwatoria LIGO i Virgo to interferometry o wielkości kilometra, które wykrywają fale grawitacyjne poprzez monitorowanie położenia dużych zwierciadeł, które ulegają wyjątkowo niewielkim przemieszczeniom, gdy fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię. Jak dotąd wykryli dziesiątki sygnałów fal grawitacyjnych – pochodzących głównie z łączenia się par czarnych dziur o masach gwiazdowych. Bazując na tym początkowym sukcesie, astronomowie mają obecnie nadzieję na wykrycie fal grawitacyjnych o niższej częstotliwości, generowanych przez łączenie się znacznie większych czarnych dziur o masach pośrednich, które są setki, a nawet tysiące mas Słońca.
Niestety szumy sejsmiczne i inne uniemożliwiają obecnie LIGO i Virgo osiągnięcie wymaganej czułości potrzebnej do pomiaru sygnałów o niskiej częstotliwości. Skutki tego hałasu można do pewnego stopnia kontrolować poprzez monitorowanie i tłumienie ruchów, jakie powoduje w zwierciadłach i innych elementach obserwatoriów.
Komponenty komercyjne
Teraz, Jiri Smetana z Uniwersytetu w Birmingham i współpracownicy wykorzystali dostępne na rynku komponenty optyczne do stworzenia detektora przemieszczenia, który ich zdaniem nadaje się do tych systemów tłumienia hałasu.
Czujnik składa się z dwóch interferometrów Michelsona napędzanych pojedynczym laserem. Każdy interferometr składa się z głowicy pomiarowej i lustra. Jedna z głowic czujnikowych stanowi część pętli sprzężenia zwrotnego, która stabilizuje częstotliwość lasera, zwiększając w ten sposób wydajność systemu.
Zaciskanie kwantowe zwiększa wydajność detektorów fal grawitacyjnych LIGO i Virgo
Zespół zastosował technikę zwaną głęboką modulacją częstotliwości do obliczenia przemieszczenia zwierciadeł na podstawie zmierzonych prążków interferometru. Technika ta umożliwia wykrywanie drobnych ruchów w szerokim zakresie częstotliwości. Rzeczywiście, system miał czułość 0.3 pm/√ Hz przy częstotliwości 1 Hz i jest 300 razy lepszy niż jeden typ czujnika, który jest obecnie używany w LIGO.
Czujnik ma zaledwie kilka centymetrów wielkości, co czyni go odpowiednim kandydatem do przyszłych modernizacji istniejących detektorów fal grawitacyjnych – modernizacji, które można wdrożyć przy minimalnym wpływie na istniejącą infrastrukturę.
Dzięki tym ulepszeniom naukowcy sugerują, że astronomowie mogą po raz pierwszy wykryć łączenie się czarnych dziur o masach pośrednich. Możliwość pomiaru sygnałów o niższej częstotliwości byłaby również użyteczna w astronomii wykorzystującej wiele komunikatorów, umożliwiając wykrywanie sygnałów z większym wyprzedzeniem przed zdarzeniami fuzji. Czujnik może również znaleźć zastosowanie w innych instrumentach wykrywających niewielkie przemieszczenia, takich jak wagi skrętne i sejsmometry.
Badania opisano w Zastosowano przegląd fizyczny.
