Эксперимент, подтверждающий концепцию, демонстрирует потенциал динамического отслеживания в более крупных системах, таких как обсерватории гравитационных волн. Фото предоставлено: Оливия Кроуэлл, Университет штата Луизиана.
Исследователи показали, что оптическое отслеживание перьев — многообещающий способ улучшить четкость сигнала детекторов гравитационных волн. Это достижение может однажды позволить ученым заглянуть глубже во Вселенную и предоставить больше информации о том, как ведут себя черные дыры и нейтронные звезды при их слиянии.
Большие интерферометры, такие как Усовершенствованная лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (aLIGO), обнаруживают тонкие искажения в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами, которые производятся далекими космическими событиями. Позволив ученым изучать явления, которые не излучают свет, измерения гравитационных волн открыли новое окно в понимание экстремальных астрофизических событий, природы гравитации и происхождения Вселенной.
«Квантовый шум стал ограничивающим источником шума при измерении гравитационных волн», — сказал член исследовательской группы Скотт М. Аронсон из Университета штата Луизиана. «Настроив систему на желаемую частоту, мы показываем, что можно уменьшить этот шум, используя оптическую пружину для отслеживания сигнала, исходящего от компактной двойной звездной системы. В будущем эта двойная звездная система может состоять из двух черных дыр, каждая из которых вращается вокруг другой — внутри нашей галактики или за ее пределами».
В журнале Optics Letters исследователи под руководством Томаса Корбитта из Университета штата Луизиана в сотрудничестве с лабораторией LIGO Калифорнийского технологического института и компанией Thorlabs Crystalline Solutions сообщают об эксперименте, подтверждающем концепцию, который показывает, что динамическое отслеживание может сделать это. помочь уменьшить шум в детекторе гравитационных волн.
«Это первое измерение оптической пружины, которая отслеживает целевой сигнал с течением времени», — сказал Аронсон, ведущий автор статьи.
«Этот метод динамического отслеживания является сильным кандидатом на снижение квантового шума в будущем. Будь то современные интерферометры, такие как LIGO, или будущие детекторы, такие как Cosmic Explorer, отслеживание оптического шлейфа стоит изучить, чтобы улучшить чувствительность и принести пользу нашей постоянно растущей популяции событий гравитационных волн.
Исследователи показали, что оптическое отслеживание перьев может помочь улучшить четкость сигнала детекторов гравитационных волн. Первый автор Скотт М. Аронсон показан с оптической установкой. Фото предоставлено: Оливия Кроуэлл, Университет штата Луизиана.
Создание оптического пера
Когда два вращающихся объекта, например черные дыры, излучают гравитационные волны, частота их вращения увеличивается и возникает так называемый чирикающий звук. Было высказано предположение, что регулировка частоты этого чирпа с помощью настраиваемой оптической пружины может уменьшить шум и улучшить четкость сигнала гравитационно-волновой обсерватории.
Хотя эта идея изучается для будущих конфигураций интерферометра, Аронсон и его коллеги решили провести эксперимент, подтверждающий концепцию, чтобы продемонстрировать потенциал динамического отслеживания в более крупных системах, таких как обсерватория гравитационных волн. Работа проводилась в рамках научного сотрудничества LIGO и более крупного сотрудничества LIGO/Virgo/KAGRA (LVK).
Чтобы добиться этого, соавтор Гарретт Д. Коул из Thorlabs Crystalline Solutions сконструировал кантилевер весом всего 50 нанограммов из слоев арсенида алюминия-галлия и арсенида галлия. Кантилевер действует как зеркало, которое может «чувствовать» радиационное давление, оказываемое лазерным лучом, создавая оптическую пружину, которая позволяет исследователям изучать взаимодействие радиационного давления лазерного света с движением кантилевера.
Отслеживайте сигнал
Чтобы протестировать систему слежения, исследователи смоделировали приближающуюся гравитационную волну, внедрив целевой сигнал в фазу лазерного луча. Они использовали альтернативный сигнал для управления положением большего движущегося зеркала внутри оптического резонатора. Частоту оптической пружины можно было регулировать, регулируя расстояние между зеркалом и кантилевером.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Во время эксперимента исследователи перемещали зеркало, чтобы «отслеживать» целевой сигнал, поскольку его частота менялась с 40 кГц на 100 кГц в течение 10 секунд. Сравнивая этот подход с сохранением зеркала неподвижным, они показали, что отслеживание сигнала с помощью движущегося зеркала увеличивает отношение сигнал/шум до 40 раз, что приводит к более четким измерениям.
Исследователи отмечают, что реализация метода динамического отслеживания в большом интерферометре потребует чрезвычайно надежного управления всеми оптическими компонентами с обратной связью. Это может оказаться особенно сложной задачей, поскольку по мере увеличения мощности давление излучения становится критическим для поддержания точного позиционирования зеркал. Этот метод также требует предварительной информации о приближающейся гравитационной волне, которую можно получить с помощью предлагаемых космических детекторов, таких как LISA.
«Эта методика динамического отслеживания представляет собой значительный шаг на пути к повышению чувствительности детекторов гравитационных волн и приближает нас к раскрытию тайн самых ранних моментов существования Вселенной», — сказал Аронсон.
«Благодаря будущим поколениям детекторов гравитационных волн у нас будет возможность узнать больше о слияниях компактных объектов, образованных звездами первого поколения, или даже более экзотических объектов, таких как первичные черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва».
