Dinamik izleme tekniği, evrenin daha derinlerine bakmak için yerçekimsel dalga dedektörlerindeki gürültüyü azaltabilir

Araştırmacılar, optik yay izlemenin, yerçekimi dalgası dedektörlerinin sinyal netliğini iyileştirmenin umut verici bir yolu olduğunu gösterdi. Bu ilerleme, bir gün bilim adamlarının evrenin daha uzağını görmelerine ve kara deliklerin ve nötron yıldızlarının birleşirken nasıl davrandıkları hakkında daha fazla bilgi sağlamalarına olanak tanıyabilir.

Gelişmiş Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (aLIGO) gibi büyük ölçekli girişimölçerler, uzak kozmik olaylar tarafından üretilen, yerçekimsel dalgalar olarak bilinen uzay-zamandaki ince bozulmaları tespit eder. Yerçekimi dalgası ölçümleri, bilim adamlarının ışık yaymayan fenomenleri incelemesine olanak tanıyarak, aşırı astrofiziksel olayları, yerçekiminin doğasını ve evrenin kökenlerini anlamak için yeni bir pencere açtı.

Louisiana Eyalet Üniversitesi’nden araştırma ekibinin bir üyesi olan Scott M. Aronson, “Kuantum gürültüsü, yerçekimsel dalgaları ölçerken sınırlayıcı bir gürültü kaynağı haline geldi” dedi. “Sistemi istenen frekansta yanıt verecek şekilde ayarlayarak, kompakt bir ikili sistemden gelen bir sinyali izlemek için bir optik yay kullanarak bu gürültüyü azaltabileceğinizi gösteriyoruz. Gelecekte bu ikili sistem, her birinin etrafında dönen iki kara delik olabilir.” diğeri – galaksimizin içinde veya ötesinde.”

Günlükte Optik HarflerLouisiana Eyalet Üniversitesi’nden Thomas Corbitt liderliğindeki araştırmacılar, California Teknoloji Enstitüsü’ndeki LIGO Laboratuvarı ve Thorlabs Crystalline Solutions ile işbirliği içinde, dinamik izlemenin yerçekimsel dalga dedektöründeki gürültüyü azaltmaya yardımcı olabileceğini gösteren bir kavram kanıtı deneyi rapor ediyor.

Makalenin ilk yazarı Aronson, “Bu, zaman içinde hedef sinyali izleyen bir optik yayın ilk ölçümüdür” dedi.

“Bu dinamik izleme tekniği, gelecekte kuantum gürültüsünün azaltılması için güçlü bir adaydır. İster LIGO gibi mevcut interferometrelerde, ister Cosmic Explorer gibi gelecekteki dedektörlerde olsun, optik yay takibi, hassasiyeti artırmak ve sürekli büyüyen popülasyonumuzu daha da artırmak için araştırmaya değer. Yerçekimi dalgası olayları.”

Optik yay oluşturma

Kara delikler gibi yörüngede dönen iki nesne yerçekimsel dalgalar yaydığında, dönme frekansları artar ve cıvıltı olarak bilinen bir şey oluşur. Bu cıvıltı frekansını ayarlanabilir bir optik yay ile eşleştirmenin gürültüyü azaltabileceği ve bir kütleçekim dalgası gözlemevinin sinyal netliğini geliştirebileceği öne sürülmüştür.

Her ne kadar bu fikir gelecekteki interferometre konfigürasyonları için araştırılıyor olsa da, Aronson ve meslektaşları, yerçekimi dalgası gözlemevi gibi daha büyük ölçekli sistemlerde dinamik izlemenin potansiyelini göstermek için bir kavram kanıtlama deneyi yapmaya karar verdiler. Çalışma, LIGO bilimsel işbirliğinin ve daha büyük olan LIGO/Virgo/KAGRA (LVK) işbirliğinin bir parçası olarak gerçekleştirildi.

Bunu başarmak için Thorlabs Crystalline Solutions’tan ortak yazar Garrett D. Cole, alüminyum galyum arsenit ve galyum arsenit katmanlarını kullanarak yalnızca 50 nanogram ağırlığında bir konsol inşa etti. Konsol, bir lazer ışınının verdiği radyasyon basıncını “hissedebilen” bir ayna görevi görerek araştırmacıların, lazer ışınından gelen radyasyon basıncının konsolun hareketi ile etkileşimini araştırmasına olanak tanıyan bir optik yay oluşturur.

Sinyali izleme

İzleme sistemini test etmek için araştırmacılar, bir lazer ışınının fazına bir hedef sinyali yerleştirerek gelen bir yerçekimi dalgasını simüle etti. Optik bir boşluk içindeki daha büyük bir hareketli aynanın konumunu kontrol etmek için alternatif bir sinyal kullandılar. Optik yay frekansı, ayna ile konsol arasındaki mesafe ayarlanarak ayarlanabilir.

Deney sırasında araştırmacılar, frekansı 10 saniye içinde 40 kHz’den 100 kHz’e değişen hedef sinyali “izlemek” için aynayı hareket ettirdiler. Bu yaklaşımı aynayı sabit tutmakla karşılaştırarak, hareketli aynayla sinyalin izlenmesinin sinyal-gürültü oranını 40 kata kadar arttırdığını ve daha net bir ölçüm sağladığını gösterdiler.

Araştırmacılar, dinamik izleme tekniğinin büyük ölçekli bir interferometrede uygulanmasının, tüm optik bileşenlerin son derece sağlam geri bildirim kontrolünü gerektireceğini belirtiyor. Bu özellikle zorlayıcı olabilir çünkü güç seviyeleri arttıkça radyasyon basıncı aynaların hassas konumlandırılmasını sağlamada kritik hale gelir. Teknik ayrıca, LISA gibi önerilen uzay tabanlı dedektörler kullanılarak elde edilebilecek, gelen bir yerçekimsel dalga hakkında önceden bilgi gerektirir.

Aronson, “Bu dinamik izleme tekniği, yerçekimsel dalga dedektörlerinin hassasiyetini arttırmaya yönelik önemli bir adımı temsil ediyor ve bizi evrenin ilk anlarının gizemlerini çözmeye daha da yaklaştırıyor” dedi.

“Gelecek nesil kütleçekim dalgası dedektörleri ile, ilk nesil yıldızların oluşturduğu kompakt nesnelerin veya hatta Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra oluşan ilkel kara delikler gibi daha egzotik nesnelerin birleşmesi hakkında bilgi edinme olanağına sahip olacağız.”