Международная группа физиков создала небольшой датчик движения на основе интерферометра, который можно использовать для повышения производительности детекторов гравитационных волн. Устройство сантиметрового размера может измерять смещение испытательных масс с точностью до пикометра на низких частотах. Исследователи считают, что их технические инновации могут открыть новые возможности в обнаружении гравитационных волн, позволяя астрономам наблюдать за событиями, которые до сих пор оставались скрытыми от шума. Его также можно использовать в других областях, включая сейсмологию и метрологию.
Обсерватории LIGO и Virgo представляют собой интерферометры размером в километр, которые обнаруживают гравитационные волны, отслеживая положение больших зеркал, которые претерпевают исключительно крошечные смещения, когда гравитационная волна проходит через Землю. На данный момент они уловили десятки сигналов гравитационных волн, в основном возникающих в результате слияния пар черных дыр звездной массы. Основываясь на этом первоначальном успехе, астрономы теперь надеются обнаружить низкочастотные гравитационные волны, генерируемые слияниями гораздо более крупных черных дыр промежуточной массы, масса которых в сотни или даже тысячи раз превышает массу Солнца.
К сожалению, сейсмические и другие шумы в настоящее время не позволяют LIGO и Virgo достичь требуемой чувствительности, необходимой для измерения этих низкочастотных сигналов. Влияние этого шума можно в определенной степени контролировать, отслеживая и демпфируя движения, которые он вызывает в зеркалах и других компонентах обсерваторий.
Коммерческие компоненты
Теперь, Иржи Сметана из Университета Бирмингема и его коллеги использовали имеющиеся в продаже оптические компоненты для создания детектора смещения, который, по их словам, подходит для этих систем шумоподавления.
Датчик состоит из двух интерферометров Майкельсона, которые управляются одним лазером. Каждый интерферометр состоит из чувствительной головки и зеркала. Одна из сенсорных головок является частью контура обратной связи, который стабилизирует частоту лазера, тем самым повышая производительность системы.
Квантовое сжатие повышает производительность детекторов гравитационных волн LIGO и Virgo
Команда использовала метод, называемый глубокой частотной модуляцией, для расчета смещения зеркал по измеренным интерферометрическим полосам. Этот метод позволяет обнаруживать крошечные движения в широком диапазоне частот. Действительно, система имела чувствительность 0.3 пм/√Гц на частоте 1 Гц, что в 300 раз лучше, чем датчик одного типа, который в настоящее время используется в LIGO.
Датчик имеет размер всего несколько сантиметров, что делает его подходящим кандидатом для будущих обновлений существующих детекторов гравитационных волн — обновлений, которые могут быть реализованы с минимальным воздействием на их существующую инфраструктуру.
Исследователи предполагают, что благодаря этим улучшениям астрономы впервые смогут обнаружить слияния черных дыр промежуточной массы. Возможность измерять низкочастотные сигналы также была бы полезна для астрономии мультимессенджеров, позволяя обнаруживать сигналы еще до событий слияния. Датчик также может найти применение в других приборах, обнаруживающих крошечные смещения, таких как крутильные весы и сейсмометры.
Исследование описано в Физический обзор применяется.
