Một nhóm các nhà vật lý quốc tế vừa tạo ra một cảm biến chuyển động nhỏ dựa trên giao thoa kế có thể dùng để tăng hiệu suất của các máy dò sóng hấp dẫn. Thiết bị có kích thước centimet có thể đo độ dịch chuyển của khối lượng thử nghiệm với độ chính xác dưới picomet ở tần số thấp. Các nhà nghiên cứu tin rằng những cải tiến kỹ thuật của họ có thể dẫn đến những cơ hội mới trong việc phát hiện sóng hấp dẫn – cho phép các nhà thiên văn học quan sát các sự kiện cho đến nay vẫn bị tiếng ồn che khuất. Nó cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác bao gồm địa chấn và đo lường.
Các đài quan sát LIGO và Xử Nữ là những giao thoa kế có kích thước hàng km phát hiện sóng hấp dẫn bằng cách theo dõi vị trí của các gương lớn, chúng trải qua những chuyển vị cực kỳ nhỏ khi sóng hấp dẫn truyền qua Trái đất. Cho đến nay, họ đã thu được hàng chục tín hiệu của sóng hấp dẫn – phần lớn bắt nguồn từ sự hợp nhất của các cặp lỗ đen có khối lượng bằng sao. Dựa trên thành công ban đầu này, các nhà thiên văn học hiện đang hy vọng phát hiện ra các sóng hấp dẫn tần số thấp hơn được tạo ra bởi sự hợp nhất của các lỗ đen có khối lượng trung gian lớn hơn nhiều, gấp hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lần khối lượng Mặt trời.
Thật không may, địa chấn và các tiếng ồn khác hiện đang ngăn cản LIGO và Xử Nữ đạt được độ nhạy cần thiết để đo các tín hiệu tần số thấp này. Tác động của tiếng ồn này có thể được kiểm soát ở một mức độ nhất định bằng cách theo dõi và làm giảm các chuyển động mà nó gây ra trong gương và các bộ phận khác của đài quan sát.
Linh kiện thương mại
Bây giờ, Jiri Smetana tại Đại học Birmingham và các đồng nghiệp đã sử dụng các thành phần quang học có sẵn trên thị trường để tạo ra máy dò dịch chuyển mà họ cho là phù hợp với các hệ thống khử tiếng ồn này.
Cảm biến bao gồm hai giao thoa kế Michelson được điều khiển bằng một tia laser. Mỗi giao thoa kế bao gồm một đầu cảm biến và một tấm gương. Một trong những đầu cảm biến là một phần của vòng phản hồi giúp ổn định tần số của tia laser, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống.
Ép lượng tử tăng cường hiệu suất của máy dò sóng hấp dẫn LIGO và Xử Nữ
Đội nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là điều chế tần số sâu để tính toán độ dịch chuyển của các gương so với các vân giao thoa kế đo được. Kỹ thuật này cho phép phát hiện những chuyển động nhỏ trên một dải tần số rộng. Thật vậy, hệ thống này có độ nhạy 0.3 pm/√Hz ở tần số 1 Hz và tốt hơn 300 lần so với một loại cảm biến hiện đang được sử dụng trong LIGO.
Cảm biến này có kích thước chỉ vài cm, khiến nó trở thành ứng cử viên phù hợp cho việc nâng cấp trong tương lai cho các máy dò sóng hấp dẫn hiện có – những nâng cấp có thể được thực hiện với tác động tối thiểu đến cơ sở hạ tầng hiện có của chúng.
Với những cải tiến này, các nhà nghiên cứu cho rằng lần đầu tiên các nhà thiên văn học có thể phát hiện ra sự hợp nhất giữa các lỗ đen có khối lượng trung bình. Việc có khả năng đo các tín hiệu tần số thấp hơn cũng sẽ hữu ích cho thiên văn học đa sứ giả, cho phép phát hiện thêm các tín hiệu trước các sự kiện sáp nhập. Cảm biến này còn có thể được sử dụng trong các thiết bị khác phát hiện những dịch chuyển nhỏ – chẳng hạn như cân xoắn và máy đo địa chấn.
Nghiên cứu được mô tả trong Đánh giá vật lý.
