Обсерватория LIGO сжимает свет, чтобы превзойти квантовый предел, измеряя пульсации пространства-времени

Гравитационно-волновые установки измеряют искажения в ткани пространства-времени до 10 квадриллионных долей ширины волоса. Теперь установка LIGO преодолела этот квантовый предел, «сжимая» лазерный свет, что улучшит обнаружение гравитационных волн примерно на 60%.

Когда сталкиваются чрезвычайно массивные объекты, такие как черные дыры, высвобождаемая энергия достаточно мощна, чтобы вызвать волну в самой реальности.

Эти гравитационные волны были впервые предсказаны Альбертом Эйнштейном более века назад, но только в 2015 году ученые, наконец, впервые обнаружили их напрямую.

Объектом, ответственным за это важное открытие, была Лазерно-Интерферометрическая Гравитационно-Волновая Обсерватория (LIGO), которая работает, направляя лазеры по двум длинным туннелям, отражая их от зеркал и измеряя, как свет возвращается.

Контролируя другие эффекты и очень внимательно наблюдая, детектор может обнаружить, когда лазерный луч искажается даже на небольшую величину (меньше ширины протона), что указывает на прохождение гравитационных волн. За прошедшие годы десятки сигналов гравитационных волн были уловлены LIGO и другими детекторами.

Но чувствительность этих установок имеет предел, который диктуется самими законами квантовой физики. Хотя вакуум – в том числе и в трубках, содержащих лазеры LIGO – обычно считается совершенно пустым пространством, достичь такого невозможно.

Квантовые флуктуации означают, что частицы постоянно возникают, живут доли секунды, а затем снова исчезают. Это слабое «потрескивание» квантового шума мешает наблюдениям LIGO и накладывает на них жесткие ограничения.

Теперь ученые LIGO нашли и продемонстрировали способ избежать шума, используя технику, называемую квантовым сжатием. Это соответствует принципу неопределенности, который гласит, что чем точнее вы знаете одну особенность объекта, тем менее точно вы можете знать другие его особенности.

Самый распространенный пример — частица, находящаяся в ящике: если вы сможете точно измерить ее положение в данный момент времени, вы будете меньше знать о ее импульсе, и наоборот.

В этом случае ученые манипулировали принципом неопределенности, чтобы получить больше от лазеров LIGO, настраивая два свойства света – фазу и амплитуду.

Специализированные кристаллы, добавленные в трубки во время модернизации 2019 года, «сжимают» фазу света, так что фотоны достигают датчиков в более предсказуемые сроки. Но, конечно, это делает амплитуду менее определенной, а это означает, что лазер заставляет зеркала вибрировать и маскировать любые низкочастотные гравитационные волны, которые он в противном случае мог бы обнаружить.

Чтобы обойти эту проблему, на LIGO был установлен новый инструмент, называемый частотно-зависимым сжимающим резонатором.

Как следует из названия, он работает, сжимая разные свойства света для разных частот. Для наиболее точного обнаружения гравитационных волн ученым необходимо больше уверенности в амплитуде низких частот и фазе высоких частот, и теперь система позволяет это сделать.

«Раньше нам приходилось выбирать, где мы хотим, чтобы LIGO был более точным», — сказала Рана Адхикари, автор исследования. «Теперь мы можем сделать все вместе. 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 как научная фантастика».

Команда утверждает, что, преодолев этот квантовый предел, повышенная точность позволит LIGO обнаруживать примерно на 60% больше гравитационных волн, чем давали предыдущие запуски.

Ожидается, что партнерская обсерватория Virgo, расположенная в Италии, также начнет использовать технологию частотно-зависимого сжатия до конца следующего года.

Исследование должно быть опубликовано в Physical Review X.