Maszyna tak dokładna, że drżenie samych atomów niszczyło jej wynik. Właśnie to naprawili

Detektory fal grawitacyjnych potrafią naprawdę świetnie rejestrować zmiany odległości tysiące razy mniejsze od średnicy protonu. Tak ogromna precyzja wymaga jednak wyjątkowo stabilnych luster, których drgania mogą zagłuszyć sygnał pochodzący ze zderzenia czarnych dziur. Największy problem tkwi jednak w tym, że technologia mająca zwiększyć czułość przyszłych obserwatoriów utrudnia działanie systemów odpowiedzialnych za ich stabilizację.

Australijscy naukowcy znaleźli więc świetne rozwiązanie. Opracowali układ wykorzystujący podczerwień zamiast dotychczasowego zielonego światła laserowego i pomyślnie sprawdzili go w laboratorium. Dzięki temu przyszłe detektory mogą korzystać z nowych powłok luster, które dotychczas stwarzały poważny problem techniczny.

Amerykańskie obserwatoria LIGO wykorzystują dwa prostopadłe ramiona o długości 4 km każde. W ich wnętrzu biegną wiązki laserowe, które wielokrotnie odbijają się od zawieszonych luster. Kiedy przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna, powoduje niezwykle małe zmiany odległości pomiędzy nimi. Analizując różnice w zachowaniu światła naukowcy mogą rejestrować sygnały pochodzące z odległych zakątków Wszechświata. Właśnie w ten sposób udało się po raz pierwszy bezpośrednio wykryć fale grawitacyjne w 2015 r.

Nie wystarczy jednak po prostu ustawić luster w odpowiednich miejscach. Zwierciadła ważące około 40 kg są zawieszone na specjalnych układach izolujących je od drgań podłoża, ale nadal wykonują niewielkie ruchy. Zanim detektor rozpocznie obserwacje, to trzeba ograniczyć te ruchy i doprowadzić układ optyczny do odpowiednich warunków pracy. Odpowiada za to system stabilizacji długości ramion, który wykorzystuje dodatkowe lasery.

Jednym z największych ograniczeń czułości LIGO jest tzw. szum termiczny. Nawet w idealnie izolowanym układzie atomy tworzące powłoki zwierciadeł nieustannie drgają, powodując minimalne zmiany ich powierzchni. Naukowcy planują więc stosowanie nowych powłok krystalicznych wykonanych z arsenku galu i arsenku glinowo-galowego. Mogłyby one znacznie ograniczyć szum termiczny, poprawiając zdolność rejestrowania słabszych fal grawitacyjnych.

Pojawia się jednak w tym wszystkim jedna, ale olbrzymia przeszkoda. Obecny system stabilizacji wykorzystuje zielone światło o długości fali 532 nm, które nowe powłoki silnie pochłaniają. W rezultacie rozwiązanie sprawdzające się ze starszymi lustrami nie będzie odpowiednie dla nowych konstrukcji. Trzeba więc zmienić sposób przygotowywania detektora do pracy. Najlepiej bez rezygnowania z dotychczasowego lasera wykorzystywanego do właściwych pomiarów.

Międzynarodowy zespół pod kierownictwem Jian Liu z University of Western Australia zaproponował wykorzystanie dodatkowego lasera emitującego podczerwień o długości fali 1596 nm. Takie promieniowanie nie jest silnie pochłaniane przez planowane powłoki. Pozostaje jednak kwestia współpracy z głównym laserem detektora, wykorzystującym światło o długości fali 1064 nm. Oba źródła muszą działać w ściśle określony sposób, aby możliwe było płynne przekazanie kontroli nad położeniem luster.

W badaniu opublikowanym w Physical Review D naukowcy przedstawili rozwiązanie wykorzystujące specjalne kryształy. Przekształcają one część światła z obu laserów w promieniowanie zielone o długości 532 nm. To umożliwia precyzyjne porównywanie częstotliwości obu wiązek i synchronizowanie ich pracy. Co ważne, zielone światło służy tutaj do synchronizacji, a nie do stabilizowania zwierciadeł pokrytych nowym materiałem.

Nową metodę sprawdzono na układzie optycznym o długości około 40 cm. Badacze wykazali, że można najpierw ustabilizować go za pomocą dodatkowego lasera, a następnie przekazać sterowanie głównej wiązce wykorzystywanej do pomiarów. Przełączenie następowało po około 60-65 s od rozpoczęcia procedury. Cały pokazany w publikacji cykl eksperymentalny trwał około 100 s, a podobne wyniki uzyskiwano wielokrotnie w ciągu kilku dni.

Naukowcy zdecydowali się również oszacować wstępnie dokładność przyszłego systemu. Po zastosowaniu w czterokilometrowym ramieniu LIGO szum odpowiadający niepewności długości mógłby wynosić około 10 pikometrów, czyli 1/10 typowej średnicy atomu. Jest to jednak wynik obliczeń opartych na laboratoryjnych pomiarach, a nie bezpośredni pomiar wykonany w LIGO. Prototyp nie był też wyposażony w pełnowymiarowe zwierciadła z nowych powłok krystalicznych.

Opracowany system jest przeznaczony m.in. do planowanej modernizacji LIGO określanej jako A#. Projekt przewiduje zastosowanie cięższych luster, nowych powłok oraz zwiększenie mocy światła krążącego w ramionach detektora. Takie ulepszenia mogłyby pozwolić rejestrować słabsze sygnały, pochodzące z odleglejszych zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Nowa metoda stabilizacji usuwa jedną z przeszkód stojących na drodze do realizacji tych planów.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już opublikowanie nowego katalogu fal grawitacyjnych, obejmującego 161 zdarzeń zarejestrowanych podczas części czwartej kampanii obserwacyjnej. Każde zwiększenie czułości detektorów może oznaczać możliwość odkrywania kolejnych, znacznie słabszych sygnałów.

Przeczytaj także:

Na razie australijscy fizycy udowodnili przede wszystkim, że zaproponowany system działa w warunkach laboratoryjnych. Kolejnym wyzwaniem będzie przystosowanie go do rzeczywistego, wielokilometrowego interferometru i sprawdzenie współpracy z nowymi zwierciadłami. W przyszłości podobne rozwiązania mogą trafić także do detektorów następnej generacji, takich jak Cosmic Explorer czy Einstein Telescope. Pozwolą one badać obszary Wszechświata, których obecne obserwatoria fal grawitacyjnych nie są jeszcze w stanie dosięgnąć.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI