Ett internationellt team av fysiker har skapat en liten interferometerbaserad rörelsesensor som kan användas för att öka prestandan hos gravitationsvågsdetektorer. Den centimeterstora enheten kan mäta förskjutningen av testmassor med sub-pikometerprecision vid låga frekvenser. Forskarna tror att deras tekniska innovationer kan leda till nya möjligheter inom gravitationsvågsdetektion – vilket gör det möjligt för astronomer att observera händelser som hittills har förblivit skymd av buller. Det kan också användas inom andra områden inklusive seismologi och metrologi.
LIGO- och Virgo-observatorierna är kilometerstora interferometrar som upptäcker gravitationsvågor genom att övervaka positionerna för stora speglar, som genomgår exceptionellt små förskjutningar när en gravitationsvåg passerar genom jorden. Hittills har de plockat upp dussintals signaler från gravitationsvågor – till stor del härrörande från sammanslagningar av par av stjärnmassor av svarta hål. Baserat på denna första framgång hoppas astronomer nu kunna upptäcka de lågfrekventa gravitationsvågorna som genereras av sammanslagningar av mycket större svarta hål med mellanmassa, som är hundratals, eller till och med tusentals gånger solens massa.
Tyvärr hindrar seismiskt och annat brus för närvarande LIGO och Jungfrun från att nå den känslighet som krävs för att mäta dessa lågfrekventa signaler. Effekten av detta buller kan till viss del kontrolleras genom att övervaka och dämpa de rörelser som det orsakar i speglarna och andra komponenter i observatorierna.
Kommersiella komponenter
Nu, Jiri Smetana vid University of Birmingham och kollegor har använt kommersiellt tillgängliga optiska komponenter för att skapa en förskjutningsdetektor som de säger är lämplig för dessa brusdämpningssystem.
Sensorn består av två Michelson-interferometrar som drivs av en enda laser. Varje interferometer innefattar ett avkänningshuvud och en spegel. Ett av avkänningshuvudena är en del av en återkopplingsslinga som stabiliserar laserns frekvens och därigenom förbättrar systemets prestanda.
Quantum squeezing ökar prestandan hos LIGO och Virgo gravitationsvågsdetektorer
Teamet använde en teknik som kallas djup frekvensmodulering för att beräkna förskjutningen av speglarna från de uppmätta interferometerfransarna. Denna teknik gör att små rörelser över ett brett spektrum av frekvenser kan detekteras. Faktum är att systemet hade en känslighet på 0.3 pm/√Hz vid en frekvens på 1 Hz och är 300 gånger bättre än en typ av sensor som för närvarande används i LIGO.
Sensorn är bara flera centimeter stor, vilket gör den till en lämplig kandidat för framtida uppgraderingar av befintliga gravitationsvågsdetektorer – uppgraderingar som skulle kunna implementeras med minimal påverkan på deras befintliga infrastruktur.
Med dessa förbättringar på plats föreslår forskarna att astronomer kanske kan upptäcka sammanslagningar mellan mellanstora svarta hål för första gången. Att ha förmågan att mäta lägre frekvenssignaler skulle också vara användbart för multibudbärarastronomi, vilket gör att signaler kan upptäckas längre före fusionshändelser. Sensorn kan även användas i andra instrument som upptäcker små förskjutningar – som torsionsbalanser och seismometrar.
Forskningen beskrivs i Tillämpad fysisk granskning.
