LIGO превзошел квантовый предел. Мы можем объяснить.
Техника сжатия света в интерферометре LIGO позволила его измерениям преодолеть квантовый барьер.
Для LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) это смелая новая область чувствительности, дающая детектору гравитационных волн возможность обнаруживать на 60 процентов больше слияний мертвых звезд, чем его предыдущий запуск, который составлял примерно одно или два обнаружения каждую неделю или около того.
Этот метод называется частотно-зависимым сжатием, позволяющим обойти предыдущие ограничения, которые не позволяли LIGO производить обнаружения в квантовом масштабе.
«Теперь, когда мы преодолели этот квантовый предел, мы можем делать гораздо больше астрономии», — говорит физик. Ли Маккаллер из Калифорнийского технологического института. «LIGO использует лазеры и большие зеркала для проведения наблюдений, но мы работаем на таком уровне чувствительности, который означает, что на устройство влияет квантовый мир».
Чувствительность LIGO уже была просто потрясающей. Интерферометр работает, обнаруживая рябь в пространстве-времени, которая генерируется столкновением черных дыр и нейтронных звезд на расстоянии от миллионов миллиардов до световых лет.
Они вызывают гравитационные волны, подобные ряби в пруду. Мы не можем их чувствовать; но их можно обнаружить по малейшим отклонениям на пути света в длинном-длинном туннеле.
Эти отклонения невероятно малы: в триллионы раз меньше человеческого волоса. Но как только вы попадаете в субатомные масштабы – квантовый мир – возможности LIGO становятся ограниченными. Это потому, что в этих невообразимо малых масштабах частицы беспорядочно появляются и исчезают из пространства, создавая постоянное фоновое шипение квантового шума, которое громче любого сигнала.
Частотно-зависимое сжатие – это способ усиления сигналов. быть «громче», чем квантовый шум. По словам физиков, это немного похоже на сжатие воздушного шара. Когда вы сжимаете шарик с одного конца, другой конец становится больше. Аналогично, если вы зафиксируете какое-либо свойство света, такое как амплитуда (или мощность), другие свойства, такие как частота, можно будет измерить более точно.
Но, хотя вы можете получить точность в одной области, вы потерять его в другом. У LIGO есть технология частотно-зависимого сжатия с 2019 года, но она не была особенно гибкой. Новое обновление означает, что сжатие стало более гибким; свет можно сжимать разными способами, чтобы усилить частоту гравитационных волн, которые ищут ученые.
«Раньше нам приходилось выбирать, где мы хотим, чтобы LIGO был более точным», — говорит физик Рана Адхикари. из Калифорнийского технологического института. «Теперь мы можем съесть наш пирог и получить его. Мы уже давно знали, как записать уравнения, чтобы это работало, но до сих пор не было ясно, сможем ли мы действительно заставить это работать. Это похоже на научную фантастику. «
Технология работает за счет использования кристаллов, которые превращают одиночные рассеянные фотоны в вакуумных трубках LIGO длиной 4 километра в два запутанных фотона с меньшей энергией.
Эти фотоны взаимодействуют с лазерные лучи, которые освещают туннели и сжимают лазерный свет нужным образом. Когда гравитационные волны грохотают, эти лазерные лучи колеблются таким образом, что движение можно уловить на другом конце.
Новая технология частотно-зависимого сжатия работает, чередуя способы сжатия света, так что усиливаются как высокие, так и низкие частоты. Он работает с момента начала текущего цикла наблюдений LIGO в мае и, скорее всего, будет установлен в детекторе Virgo в Италии до его завершения.
Это означает, что мы, вероятно, увидим значительный рост количество столкновений черных дыр и нейтронных звезд, которые мы наблюдаем в более широкой Вселенной.
«Мы наконец-то воспользовались преимуществами нашей гравитационной Вселенной», — говорит физик Лиза Барсотти из Массачусетского технологического института. «В будущем мы сможем еще больше улучшить нашу чувствительность. Мне хотелось бы посмотреть, насколько далеко мы сможем ее продвинуть».
Исследование будет опубликовано в Physical Review X.
