LIGO stlačuje světlo, aby překonalo kvantový limit měření časoprostorových vln

Zařízení gravitačních vln měří deformace ve struktuře časoprostoru až do 10 kvadriliontin šířky vlasu – dostatečně malé na to, aby bylo možné slyšet interferenci od částic, které vyskakují a odcházejí. Nyní se zařízení LIGO posunulo za tento kvantový limit „stlačením“ laserového světla, což posílí detekci gravitačních vln asi o 60 %.

Když se srazí extrémně masivní objekty, jako jsou černé díry, uvolněná energie je dostatečně silná na to, aby vyslala vlnky samotnou realitou. Tyto gravitační vlny poprvé předpověděl Albert Einstein před více než stoletím, ale teprve v roce 2015 je vědci poprvé přímo detekovali.

Zařízení zodpovědné za tuto významnou detekci byla Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), která funguje tak, že lasery paprsky procházejí dvěma dlouhými tunely, odráží je od zrcadel a měří, jak se světlo vrací. Díky kontrole dalších efektů a velmi pečlivému sledování může detektor zjistit, kdy je laserový paprsek zkreslený byť jen nepatrným množstvím – menším než je šířka protonu – což znamená, že gravitační vlny prošly kolem. V následujících letech byly detektory LIGO a dalšími detektory zachyceny desítky signálů gravitačních vln.

Ale citlivost těchto zařízení má limit, který je dán samotnými zákony kvantové fyziky. Zatímco vakuum – včetně těch v trubicích obsahujících lasery LIGO – je běžně považováno za zcela prázdný prostor, něco takového je nemožné dosáhnout. Kvantové fluktuace znamenají, že částice neustále vznikají, žijí zlomky zlomku sekundy a pak zase mizí. Toto slabé praskání kvantového šumu narušuje pozorování LIGO a klade na ně tvrdý limit.

Georgia Mansell/observatoř LIGO Hanford

Nyní vědci LIGO našli a ukázali způsob, jak se prosadit, pomocí techniky zvané kvantové stlačování. To navazuje na princip neurčitosti, který říká, že čím přesněji znáte jednu vlastnost objektu, tím méně přesně můžete znát ostatní. Nejběžnějším příkladem je částice poskakující v krabici – pokud dokážete přesně změřit její polohu v daném čase, budete vědět méně o její hybnosti a naopak.

V tomto případě vědci zmanipulovali princip neurčitosti, aby získali více z laserů LIGO vyladěním dvou vlastností světla – fáze a amplitudy. Specializované krystaly přidané do trubic během upgradu v roce 2019 „zmáčknou“ fázi světla, takže fotony dorazí k senzorům v předvídatelnějších časových osách. Ale samozřejmě to činí amplitudu méně jistou, což znamená, že laser způsobuje, že zrcadla vibrují a maskují jakékoli nízkofrekvenční gravitační vlny, které by jinak mohly detekovat.

Abychom to obešli, byl na LIGO nainstalován nový nástroj nazvaný frekvenčně závislá stlačovací dutina. Jak název napovídá, funguje tak, že se stlačuje různé vlastnosti světla pro různé frekvence, aby bylo dosaženo toho nejlepšího z obou světů. Pro co nejpřesnější detekci gravitačních vln potřebují vědci větší jistotu v amplitudě nízkých frekvencí a ve fázi vysokých frekvencí a systém to nyní umožňuje.

„Předtím jsme si museli vybrat, kde chceme, aby bylo LIGO přesnější,“ řekla Rana Adhikari, autorka studie. „Teď můžeme sníst náš dort a mít ho taky.“ Chvíli jsme věděli, jak zapsat rovnice, aby to fungovalo, ale nebylo jasné, že bychom to mohli skutečně zprovoznit. Je to jako sci-fi.“

Prolomením tohoto kvantového limitu tým říká, že vylepšená přesnost umožní LIGO detekovat asi o 60 % více událostí gravitačních vln než předchozí běhy. Očekává se, že partnerská observatoř LIGO Virgo, která se nachází v Itálii, začne do konce příštího roku používat technologii frekvenčně závislého stlačování.

Výzkum má být zveřejněn Fyzický přehled X. Tým popisuje práci ve videu níže.

Zdroj: Caltech