Fijne St Patrick's Day! Astronaut tweets Foto van Ireland from Space

Zwaartekrachtsgolven die we hier op aarde kunnen waarnemen, worden gegenereerd door de meest energieke gebeurtenissen in de kosmos, van botsende zwarte gaten tot fuserende neutronensterren.

Om deze ruimte-tijd-rimpelingen te ontdekken, die in sommige gevallen miljarden lichtjaren hebben afgelegd, moeten wetenschappers enkele van de meest gevoelige apparatuur bouwen die de wereld ooit heeft gezien. Maar de zeer gevoeligheid van deze versnelling betekent dat trillingen, turbulentie en zelfs gasmoleculen in onze atmosfeer zelfs de krachtigste zwaartekrachtsignalen in een opeenvolging van achtergrondgeluid kunnen overstemmen.

Ingenieuze engineeringoplossingen zijn daarom nodig om het zwakke signaal van zwaartekrachtsgolven uit het geluid te halen. In nieuw onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters beschrijven natuurkundigen een potentieel krachtige nieuwe methode die theoretisch kan worden gebruikt om een ​​sleutelcomponent van ruis van gravitatiegolfdetectoren te verwijderen en daarmee de vereiste van bouwen te verwijderen kostbare en complexe vacuümkamers. [Het zoeken naar gravitationele golven (galerij)]

Een gevoelig bedrijf

In september 2015 werd het historische eerste zwaartekrachtsignaal, veroorzaakt door twee botsende zwarte gaten, waargenomen door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), een project dat twee detectoren in werking stelt - één in Washington en één in Louisiana.

Deze detectie werd bereikt door gebruik te maken van krachtige "interferometers" die minuscule krommingen in de ruimtetijd kunnen detecteren. De dubbele L-vormige LIGO-gebouwen meten 4 km langs elke arm en bestaan ​​uit uiterst efficiënte vacuümkamers waardoor de lasers en alle optica worden geleid. Gebaseerd op het principe van Michelson-interferometers, van het beroemde Michelson-Morley-experiment in 1887, wordt laserlicht van het ene uiteinde van de L naar een straalsplitser geleid op het kruispunt. Het gesplitste laserlicht wordt vervolgens heen en weer gereflecteerd langs de tunnels en mag dan weer convergeren op de kruising, nadat de fotonen 700 mijl (1.120 km) hebben afgelegd.

Wanneer de twee laserstralen opnieuw worden gecombineerd, heffen ze elkaar op, omdat beide exact dezelfde afstand hebben afgelegd langs hun respectieve tunnels; de golven van laserlicht zijn fijn afgestemd om uit fase te zijn en zullen daarom destructief interfereren met elkaar. Als echter een zwaartekrachtsgolf door onze planeet gaat, zal een van de armen van de detector lichtjes vervormen, waardoor een van de stralen een iets langere of kortere afstand aflegt, waardoor er een klein verschil in fase ontstaat. De afstemming is uit balans geraakt, de golven interfereren constructief en een signaal wordt geregistreerd. Het is als een hightech struikeldraad voor zwaartekrachtgolven. En de rimpelingen veroorzaken een gering fluctuatie in afstand; LIGO kan een verandering in armlengte detecteren die duizenden keren kleiner is dan de breedte van een proton.

Omdat dit signaal zo gering is, moeten natuurkundigen ervoor zorgen dat ruisbronnen tot een minimum worden beperkt. Dus het hele systeem is ingepakt in een vacuümkamer (om bronnen van ruis te verwijderen, zoals luchtturbulentie, geluidsgolven en gasmoleculen), en de spiegels en andere optieken worden afgeschermd van andere bronnen van trillingen, zoals seismische golven en zelfs in de buurt verkeer.

"De belangrijkste uitdaging in de LIGO-vacuümbuizen is om de druk laag te houden, we hebben het ongeveer een biljoen keer minder nodig dan de atmosferische druk," zei LIGO-teamlid Rana Adhikari, hoogleraar fysica aan het California Institute of Technology in Pasadena , die niet betrokken was bij de nieuwe studie. "Dit is relatief eenvoudig in een kleine, hoogwaardige laboratoriumopstelling, maar uiterst uitdagend voor een 4 kilometer lange buis."

Van 2010 tot 2015 onderging LIGO significante detector-upgrades om vervormingen in zijn spiegels en zelfs moleculaire trillingen in het systeem te verminderen, waardoor de ultraprecieze spiegels geïsoleerd werden van lawaai. Na deze upgrade was de gevoeligheid van 'Advanced LIGO' (of aLIGO) zodanig dat na een zoekactie van 13 jaar gravitatiegolven uiteindelijk werden ontdekt. Geavanceerde LIGO is nu vergezeld door de Advanced Virgo-detector, die zich in de buurt van Pisa, Italië, bevindt en er worden partnerschappen met meer internationale melders gepland. [Jacht gravitatiegolven: het LIGO laserinterferometer project in foto's]

Een andere manier?

Een van de grootste componenten van de huidige gravitatiegolfdetectoren is de vacuümkamer waarin alle interferometeroptica zijn ondergebracht - een component die volgens de nieuwe studie kan worden verwijderd van toekomstige gravitatiegolfinterferometers.

"Wat we in ons artikel aantonen, was een turbulentievrije interferentiemeter met dubbele spleet, wat niet bepaald ideaal is voor gravitatiegolfdetectie, maar het mechanisme dat de turbulentievrije interferentie produceert, kan theoretisch Worden toegepast op ieder interferometer, "zei hoofdauteur Thomas Smith, een postgraduaat van de Universiteit van Maryland, Baltimore County (UMBC).

"Onze toekomstige stappen zijn om te kijken naar die interferometers die ideaal zijn voor gravitatiegolfdetectie door hun lay-out en kijken of we dit mechanisme daarop kunnen toepassen," voegde Smith eraan toe. "We zouden in theorie een gravitatiegolfdetector in de open lucht kunnen hebben."

In de studie beweren Smith en Yanhua Shih, een hoogleraar natuurkunde ook bij UMBC, dat de quantumeigenschappen van licht kunnen worden gebruikt als een krachtige en mogelijk revolutionaire nieuwe tool voor het omgaan met interferometerruis en het detecteren van zelfs de zwakste gravitatiegolfsignalen .

Weird physics

De experimentele opstelling voorgesteld door Smith en Shih is gebaseerd op een 1801-experiment met dubbele spleet, bedacht door de Engelse natuurkundige Thomas Young om de golftheorie van het licht te demonstreren. Het werd later gebruikt om het concept van de golfdeeltjes-dualiteit in de kwantummechanica aan het begin van de 20e eeuw te demonstreren.In de meest eenvoudige vorm bestaat het experiment uit een lichtbron die een plaat belicht, die twee spleten heeft waar licht doorheen kan gaan. Achter de plaat is een scherm. Terwijl het licht door de spleten passeert, interfereren de golven constructief en destructief, waardoor een klassiek patroon van lichte en donkere banden op het scherm ontstaat.

Maar wat als je maar één foton aan de spleten zou afvuren? Welnu, door de vreemdheid van de kwantumfysica is dat foton net zo waarschijnlijk om door spleet A te gaan als het doorgesneden wordt B en kan daarom interfereren met zelf om een ​​interferentiepatroon op het scherm te creëren. (Voor een uitgebreide uitleg, lees dit klassieke stuk van ProfoundSpace.org.) Dit is een nuttige demonstratie van de kwantumfysica, maar het zou nutteloos zijn in een gravitatiegolfdetector; enkele fotonen zullen worden beïnvloed door luchtturbulentie, dus de paden naar spleet A en spleet B zullen variëren, de fase van de fotonen door elkaar halen en elk interferentiepatroon vervagen.

Dus, Smith en Shih suggereerden dat in plaats van de één-foton interferentie, twee-foton interferentiepatronen kunnen worden gemeten, en de ruis die het interferentiepatroon van één foton verwart, gewoon uit de vergelijking zal verdwijnen. Veel van het detail achter deze methode ligt begraven in complexe wiskunde, maar het zou een verrassend elegante oplossing kunnen bieden voor laserinterferometers, aldus de onderzoekers.

Interferentie met twee fotonen "is in de afgelopen decennia een soort nieuw concept in de natuurkunde, en het lijkt vast te houden", vertelde Smith aan ProfoundSpace.org. "Je kunt twee potentiële paden hebben voor de twee fotonen om te reizen.En wanneer je je twee detectors op ongeveer dezelfde locatie scant, overlappen deze twee potentiële paden voor de twee fotonen elkaar. En vanwege die overlap ervaren beide potentiële paden hetzelfde turbulentie, dezelfde faseverschuivingen en omdat ze dezelfde faseverschuivingen ervaren, is het interferentiepatroon niet beïnvloed ... Binnen de wiskunde annuleert de turbulentie. "

De onderzoekers hebben deze methode zelfs gedemonstreerd met een tafelmodel met een laserlichtbron, dubbele spleten en een broodroosteroven ertussen om luchtturbulentie te creëren. Wanneer de oven is ingeschakeld, verdwijnt het klassieke interferentiepatroon abrupt; de luchtturbulentie verstoort de fotonen en voorkomt interferentie. Maar als u twee detectors zorgvuldig positioneert om het interferentiepatroon met twee fotonen nauwkeurig te meten en vervolgens de oven inschakelt, blijft het interferentiepatroon bestaan ​​alsof er helemaal geen turbulentie was.

"Het klassieke interferentiepatroon verdween [toen de oven werd ingeschakeld], maar het interferentiepatroon dat we uit de intensiteitschommelingscorrelatie in deze turbulentievrije interferometer hadden gemeten, bleef bijna 100 procent, nog steeds erg duidelijk," zei Shih.

In deze situatie kunnen de onderzoekers het patroon meten dat wordt gegenereerd wanneer paren fotonen zichzelf hinderen nadat ze dezelfde weg van de coherente lichtbron naar de spleten hebben afgelegd. In feite ervaren deze paren fotonen exact dezelfde turbulentie tijdens hun reis, zoals twee passagiers die naast elkaar zitten tijdens een achtbaanrit. Zeker, de twee passagiers zullen veel ups, downs, loops en wiebelen ervaren, maar ze zullen aan het einde van de rit arriveren langs hetzelfde pad. Zoals de achtbaanpassagiers, de fotonenparen (en het interferentiepatroon dat ze creëren), is het alsof de luchtturbulentie er niet eens was.

Door de logica van de onderzoekers, als dit systeem zou kunnen worden opgeschaald en op de een of andere manier zou worden opgenomen in het optische systeem van zwaartekrachtgolfinterferometers, zouden deze detectoren in de open lucht kunnen functioneren en zouden zeer efficiënte vacuümsystemen niet langer nodig zijn. En als dit complexe systeem eenmaal was verwijderd, zouden de mogelijkheden heel spannend worden.

"We zouden één station op het oppervlak van de aarde en anderen op satellieten kunnen hebben ... We zouden een veel grotere interferometer kunnen maken die veel gevoeliger zou zijn dan degene die we momenteel hebben," zei Shih. Hoe groter de interferometer, zei hij, hoe gevoeliger de detector zou worden voor zwakkere en lagere frequentie zwaartekrachtgolven. [The Universe: Big Bang to Now in 10 eenvoudige stappen]

Moeilijke implementatie

De onderzoekers benadrukten dat turbulentie-vrije interferometrie nog een lange weg te gaan heeft voordat deze kan worden gebruikt voor gravitatiegolfdetectoren. Maar zwaartekrachtswetenschappers zijn sceptisch dat hoogst efficiënte vacuümbuizen ooit zullen worden verwijderd van op de grond gebaseerde detectoren.

"Onze detectoren konden niet in de open lucht werken", vertelde Nicolas Arnaud, een fysicus met het Virgo-experiment, via e-mail aan ProfoundSpace.org. "De spiegels (belangrijke componenten van de interferometer) zouden hun unieke eigenschappen verliezen, omdat hun oppervlak zou worden verontreinigd door stof, en stofdeeltjes zouden zelfs worden verbrand als gevolg van het hoge laservermogen dat op de spiegels valt, waardoor hun oppervlak meer wordt beschadigd. laserstralen die langs de kilometerslange detectorarmen bewegen, zouden verstrooiing door lucht ondergaan, wat de detectorgevoeligheid zou beïnvloeden. "

Hoewel hij het ermee eens is dat de theorie achter interferentie van twee fotonen als een methode om atmosferische turbulentie te verwijderen interessant is, stelt Adhikari dat een veel groter probleem de ruis is die wordt veroorzaakt door laserlicht dat gasmoleculen in de lucht raakt.

"Als we de druk 10 keer hoger laten zijn dan ons doel, lopen we problemen op met lichtverstrooiing door gasmoleculen," vertelde Adhikari ProfoundSpace.org via e-mail. "Elk molecuul maakt een beetje twinkeling terwijl het door de bundel gaat, en de stochastische [chaotische] beweging van veel individuele moleculen maakt een geluid in onze straal. Het is als het bedekken van het 'tsjilp' dat door zwaartekrachtsgolven met een sissend geluid wordt gemaakt.

"Hoewel ik me kan voorstellen dat hun opstelling kan worden gebruikt om het lawaai als gevolg van turbulente luchtbeweging te verminderen, zou het ook de stochastische scintillatie (niet als gevolg van turbulentie) met een factor van 1 miljoen moeten verminderen om gravitatiegolfdetectie haalbaar te maken," Adhikari zei.

In de opstelling met twee fotonen zal echter alleen coherent licht het vereiste interferentiepatroon creëren. Omdat deze stochastische interferentie per definitie incoherent is, wees Shih erop dat deze bron van ruis ook uit de resultaten zal worden verwijderd. "Dit soort scintillatie zal in principe geen enkele bijdrage leveren aan de intensiteitschommelingcorrelatie," zei hij.

Hoewel dit voor kleine interferometers kan werken, zou opschalen voor gebruik in zwaartekrachtdetectoren in de open lucht betekenen dat er veel gasmoleculen worden geraakt door laserlicht, waardoor de laserenergie wordt verzwakt en deze inefficiënt wordt bij het detecteren van gravitatiegolven.

"Wat de detectie van zwaartekrachtgolven uiterst uitdagend maakt, is dat dergelijke signalen extreem zwak zijn en kunnen worden afgedekt door verschillende" geluiden ", waardoor ze niet waarneembaar zijn, tenzij deze geluiden op de juiste manier worden beperkt - of zelfs worden geannuleerd," voegde Arnaud eraan toe.

Maar Smith en Shih laten zich niet afschrikken door deze schijnbaar onoverkomelijke praktische uitdagingen. Ze erkennen dat elke praktische toepassing van hun interferometer met twee fotonen voor gravitatiegolfstudies nog ver verwijderd is.

"We moeten meer onderzoek doen," zei Shih. "In principe zou het kunnen werken, maar er moet meer worden gedaan."