Как снизить шум в детекторах гравитационных волн

Эксперимент по проверке концепции демонстрирует потенциал динамического отслеживания в более масштабных системах, таких как обсерватории гравитационных волн. Автор: Olivia Crowell, Louisiana State University

Крупномасштабные интерферометры, такие как Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO), обнаруживают тонкие искажения в пространстве-времени, известные как гравитационные волны, создаваемые далекими космическими событиями. Позволяя ученым изучать явления, которые не излучают свет, измерения гравитационных волн открыли новое окно для понимания экстремальных астрофизических событий, природы гравитации и происхождения Вселенной.

«Квантовый шум стал ограничивающим источником шума при измерении гравитационных волн», — сказал Скотт М. Аронсон, член исследовательской группы из Университета штата Луизиана. «Настраивая систему на отклик на желаемой частоте, мы показываем, что можно уменьшить этот шум, используя оптическую пружину для отслеживания сигнала, исходящего от компактной двойной системы. В будущем эта двойная система может представлять собой две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга — 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 Thorlabs Crystalline Solutions сообщают о проверочном эксперименте, показывающем, что динамическое отслеживание может помочь снизить шум в детекторе гравитационных волн.

«Это первое измерение оптической пружины, отслеживающей целевой сигнал с течением времени», — сказал Аронсон, первый автор статьи.

«Эта динамическая технология отслеживания является сильным кандидатом на квантовое шумоподавление в будущем. Будь то в современных интерферометрах, таких как LIGO, или в будущих детекторах, таких как Cosmic Explorer, оптическое пружинное отслеживание заслуживает изучения для повышения чувствительности и дальнейшего изучения нашей постоянно растущей популяции гравитационно-волновых событий».

Исследователи показали, что оптическое отслеживание пружины может помочь улучшить четкость сигнала детекторов гравитационных волн. Первый автор Скотт М. Аронсон показан с оптической установкой. Автор: Olivia Crowell, Louisiana State University

Создание оптической пружины

Когда два вращающихся объекта, таких как черные дыры, испускают гравитационные волны, их частота вращения увеличивается, создавая то, что известно как чирп. Было высказано предположение, что согласование частоты этого чирпа с настраиваемой оптической пружиной может снизить шум и улучшить четкость сигнала гравитационно-волновой обсерватории.

Хотя эта идея изучается для будущих конфигураций интерферометра, Аронсон и его коллеги решили провести эксперимент по проверке концепции, чтобы продемонстрировать потенциал динамического отслеживания в более масштабных системах, таких как гравитационно-волновая обсерватория. Работа проводилась в рамках научного сотрудничества LIGO и более масштабного сотрудничества LIGO/Virgo/KAGRA (LVK).

Чтобы добиться этого, соавтор Гарретт Д. Коул из Thorlabs Crystalline Solutions сконструировал кантилевер весом всего 50 нанограмм, используя слои алюминий-галлий-арсенида и арсенида галлия. Кантилевер действует как зеркало, которое может «чувствовать» давление излучения, создаваемое лазерным лучом, создавая оптическую пружину, которая позволяет исследователям исследовать взаимодействие давления излучения лазерного света с движением кантилевера.

Отслеживание сигнала

Для проверки системы слежения исследователи смоделировали входящую гравитационную волну, встроив целевой сигнал в фазу лазерного луча. Они использовали альтернативный сигнал для управления положением большего подвижного зеркала внутри оптической полости. Частоту оптической пружины можно было настроить, регулируя расстояние между зеркалом и кантилевером.

В ходе эксперимента исследователи перемещали зеркало, чтобы «отслеживать» целевой сигнал, поскольку его частота менялась с 40 кГц до 100 кГц в течение 10 секунд. Сравнивая этот подход с сохранением неподвижного зеркала, они продемонстрировали, что отслеживание сигнала с помощью подвижного зеркала увеличивало отношение сигнал/шум до 40 раз, обеспечивая более четкие измерения.

Исследователи отмечают, что реализация метода динамического отслеживания в крупномасштабном интерферометре потребует очень надежного управления обратной связью всех оптических компонентов. Это может быть особенно сложным, поскольку по мере увеличения уровней мощности давление излучения становится критическим для поддержания точного позиционирования зеркал. Метод также требует предварительной информации о входящей гравитационной волне, которую можно получить с помощью предлагаемых космических детекторов, таких как LISA.

«Эта динамическая технология отслеживания представляет собой значительный шаг на пути к повышению чувствительности детекторов гравитационных волн, приближая нас к разгадке тайн самых ранних моментов существования Вселенной», — сказал Аронсон.

«С будущими поколениями детекторов гравитационных волн у нас появится возможность узнать о слиянии компактных объектов, образованных первым поколением звезд, или даже более экзотических объектах, таких как первичные черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва».

Больше информации: Scott Aronson et al, Optical spring tracking for enhancing quantum-limited interferometers, Optics Letters (2024). DOI: 10.1364/OL.540195

Источник: Optica