Gravitacinės bangos aptinkamos naujos kartos lazeriu

Primary tabs

Kvantinis reiškinys leidžia ieškikliams, jaučiantiems erdvėlaikio svyravymus, atlikti matavimus su 50% didesniu tikslumu. Gamtos dėsnių ribų matavimas – tai yra iššūkis, kuri tyrėjai priėmė dar kartą, ieškodami gravitacinių bangų. Jų naudojami interferometrai yra tokie pat jautrūs, kaip ir tam tikri kvantiniai šviesos reiškiniai. „Šūvio garsas“ apriboja matavimų tikslumą. Siekdami pašalinti trukdžio efektą, mokslininkai iš Makso Planko bendruomenės ir Hanoverio Universiteto naudoja suspaustos šviesos metoda ir kvantinę fiziką kaip atsakomąjį žingsnį. Naujo tipo lazerio šviesa padidina gravitacinių bangų detektoriaus GEO600 matavimų tikslumą apie 50%, tokiu būdu padidindama jautrumo efektyvumą. Tai pirmas kartas, kai ši technologija išbandyta už laboratorijos ribų.

Praėjus apie 50 metų nuo pirmųjų lazerių sukūrimo, suspaustos šviesos technologija gali būti naudojama siekiant sukurti visiškai naujos kokybės lazerio šviesą. Šviesa iš suspausto lazerio išeina daug ramiau, nei iš tradicinio lazerio šaltinio. „Suspausto lazerio dėka, mes turime galimybę padidinti GEO600 matavimų jautrumą iki 150%,“ teigia Hartmut‘as Grote‘as, kuris vadovauja detektoriaus operacijoms. „Naujasis šviesos šaltinis išpildo visus reikalavimus, kaip ir buvo tikėtasi.“ Ateityje ši technologija gali būti naudojama net padvigubinti matavimų tikslumą. Beveik neaptinkamų gravitacinių bangų paieškose, šis jautrumo padidėjimas yra svarbus žingsnis į jų tiesioginį aptikimą.

GEO600 eksperimentas Kvantinės Inžinerijos ir Erdvėlaikio Tyrimų Centre yra tarptautinio „LIGO Virgo“ bendradarbiavimo dalis, kuriame dalyvauja tyrėjai iš Makso Planko Gravitacinės Fizikos Instituto ir Hanoverio Leibnizo Universiteto Gravitacinės Fizikos Instituto, siekdami aptikti gravitacines bangas. Enšteinas numatė šių virpesių būvimą erdvėlaikyje prieš maždaug šimtą metų savo Bendrojoje Reliatyvumo Teorijoje. Jie atsiranda per audringus kosminius įvykius, tokius, kaip supernovų sprogimai.

Vis dėlto, gravitacinės bangos žemėje yra vos jaučiamos. Viena iš priežasčių yra ta, kad sąveika tarp medžiagos ir erdvės yra labai silpna. Erdvėlaikio struktūros pakitimai, kurie vyksta tučtuojau mūsų astronominėje aplinkoje yra sukeliami palyginti mažos masės kūnų judėjimo, tokių kaip natūralūs palydovai ar planetos ir yra už matavimų galimybių ribos. Audringi supernovų sprogimai, kurie šiurkščiai sukrėčia erdvėlaikį, vyksta tolimu atstumu nuo Žemės. Kol sprogimo metu sukurtos gravitacinės bangos pasiekia Žemę, jos žymiai sumenksta. Santykinis gravitacinių bangų detektoriaus matavimo atstumas būtų tik apie vieną tūkstantąją protono skersmens, jei supernova sprogtų kur nors Paukščių Take. Su GEO600, mokslininkai gali išmatuoti daug mažesnius atstumus.

Lazeris su pastovaus intensyvumo šviesa

Norėdami atlikti tokius tikslius matavimus, fizikai turi pasikliauti metrologijos metodu, kuris yra kiek įmanoma atsparus trukdžiams. Vienas iš trukdžių sukelėjų yra vadinamas šūvio garsu. Jo kvantinė prigimtis reiškia, kad fotonai ant detektoriaus fotodiodo krenta nereguliariais intervalais. Tai yra aiškus nepastovaus fono šviesumo signalas. Tuo tarpu erdvėlaikio virpėsiai, kurie sukelia panašų silpną šviesumo pokytį kaip ir šūvio garsas, gali būti aptikti tik sudėtingu būdu.

Roman‘as Schnabel‘is ir jo tyrėjų grupė Hanoveryje ištobulino specialų šviesos šaltinį, kuriuo trukdantis šūvio garsas gali būti sutramdytas. Integruotas į GEO600, suspaustos šviesos lazeris padeda gravitacinių bangų detektoriui atlikti jautresnius matavimus.
Heisenbergo nepastovumo principas teigia, kad lazerio spindulio intensyvumas ir spalva negali tuo pat metu būti apibrėžtas tokiu pat tikslumu. Pavyzdžiui, kuo tiksliau apibrėžtas intensyvumas, tuo labiau neaiški tampa spalva. Kvantiniai fizikai panaudojo šį efektą sumažinti šūvio garso poveikiui GEO600 eksperimento metu.

Po viso šito, šūvio garsas yra tik lazerio intensyvumo neapibrėžtumas. Jie patobulino lazerio šviesą taip, kad jo intensyvumas yra labai tiksliai apibrėžtas. Ekspertai šį procesą vadina „spaudimu“. Šio eksperimento metu nenustatyta, kad šviesos spalva tapo labiau netiksli.

„Dabar mes diegiame suspaustos šviesos lazerį į interferometrą kartu su paprastu lazeriu.“ – aiškino Schnabel‘is. „Jei du šviesos srautai persipins, gausime daug pastovesnio intensyvumo spindulį, lyginant su originaliu. Tokiu būdu mes švelniai pašalinsime netikslumus, kuriuos detektoriaus signalui sukuria kvantinės fizikos efektai.“
Suspaustos šviesos lazeris GEO600 yra testuojamas nuo praėjusių metų balandžio, o dabar jis naudojamas gravitacinių bangų paieškai. Tuo tarpu kolegos iš Amerikos planuoja išbandyti šį lazerį LIGO detektoriuose.

Facebook komentarai: