Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT y la Universidad Nacional de Australia han desarrollado una nueva tecnología que tiene como objetivo hacer que el Observatorio avanzado de ondas gravitacionales con interferómetro láser LIGO sea aún más sensible a las ondas débiles en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
Los científicos de Advanced LIGO anunciaron la primera observación de ondas gravitacionales a principios de este año, un siglo después de que Albert Einstein predijera su existencia en su teoría general de la relatividad. El estudio de las ondas gravitacionales puede revelar información importante sobre eventos astrofísicos cataclísmicos que involucran agujeros negros y neutronesestrellas.
En el diario de The Optical Society para investigación de alto impacto óptica , los investigadores informan sobre las mejoras a lo que se llama una fuente de vacío comprimido. Aunque no forma parte del diseño original avanzado de LIGO, inyectar la nueva fuente de vacío comprimido en el detector LIGO podría ayudar a duplicar su sensibilidad. Esto permitiría la detección de ondas gravitacionalesque son mucho más débiles o que se originan más lejos de lo que es posible ahora.
Una arruga en el espacio-tiempo
Durante milenios, las personas han usado la luz como una forma de ver el universo. Los telescopios magnifican lo que es visible a simple vista, y los telescopios más nuevos usan partes no visibles del espectro electromagnético para proporcionar una imagen del universo que nos rodea.
"Hay muchos procesos en el universo que son inherentemente oscuros; no emiten luz de ningún color", dijo Nergis Mavalvala, parte del equipo del Instituto MIT Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial y líder del equipo de investigación"Dado que muchos de esos procesos involucran la gravedad, queremos observar el universo usando la gravedad como mensajera".
Investigadores del Instituto de Tecnología de California y el MIT concibieron, construyeron y operaron detectores LIGO avanzados idénticos en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington. Cada observatorio utiliza un dispositivo óptico de 2.5 millas de largo conocido como interferómetro para detectar ondas gravitacionales provenientes deeventos distantes, como la colisión de dos agujeros negros detectados el año pasado.
La luz láser que viaja de un lado a otro de los dos brazos del interferómetro se usa para controlar la distancia entre los espejos en cada extremo del brazo. Las ondas gravitacionales causarán una ligera, pero detectable variación en la distancia entre los espejos. Ambos detectores deben detectar la variaciónconfirme que las ondas gravitacionales, no la actividad sísmica u otros efectos terrestres, causaron un cambio en la distancia entre los espejos.
Estudio de colisiones de estrellas de neutrones
"Queremos usar los detectores LIGO avanzados para detectar la onda gravitacional más lejana o la onda gravitacional más débil posible", dijo Mavalvala. "Sin embargo, esto está limitado por las fluctuaciones cuánticas de la luz láser, que crean un cierto nivel de ruido".Si una onda gravitacional es más débil que ese nivel de ruido, entonces no podemos detectarla. Por lo tanto, tenemos un gran impulso para disminuir ese ruido, y podemos hacerlo utilizando nuestra fuente de vacío exprimida ".
Los investigadores planean agregar su nueva fuente de vacío exprimido a Advanced LIGO en el próximo año más o menos. Una vez implementado, mejorará la sensibilidad de los detectores gravitacionales, particularmente en las frecuencias más altas importantes para comprender la composición de las estrellas de neutrones.Estas estrellas extremadamente densas contienen la masa del sol, que tiene un radio de 700,000 kilómetros, dentro de un diámetro de solo 10 kilómetros.
"Nadie sabe exactamente cómo se comportan los neutrones en estas estrellas cuando los aplastas en un paquete tan denso", dijo Mavalvala. "Estas estrellas de neutrones a veces chocan entre sí, y en el momento en que se están rompiendo entre sí, ustedpuede estudiar las propiedades de esta materia nuclear detectando ondas gravitacionales que ocurren a frecuencias más altas ".
¿Cómo puede ayudar un estado de vacío exprimido?
Mavalvala explica que la luz láser utilizada en los detectores LIGO puede considerarse como un tipo de regla ". El ruido de fase que resulta de las fluctuaciones cuánticas de la luz láser es como tratar de medir la longitud de un trozo de papel mientras"Las marcas de la regla siguen moviéndose y moviéndose", dijo. "Debido a que este ruido hace que las marcas en nuestro medidor vibren, queremos reducir eso inyectando este estado especial de vacío exprimido que tiene fluctuaciones más pequeñas, o produce menos fluctuación de fase.en las marcas de nuestra regla "
Crear la fuente de vacío exprimido implicaba modificar un estado de vacío, que es el estado cuántico con la energía más baja posible ". Capturamos parte de este vacío electromagnético en una cavidad óptica construyendo primero el experimento con rayos láser y luego haciendo el vacío exprimidoestado marcando la potencia del láser hasta que no haya luz, y solo quede el vacío ", dijo Mavalvala." Entonces, todo lo que hubiéramos hecho a la luz, podemos hacerlo al estado de vacío exprimido ".
La fuente de vacío exprimida mejorada se basa en el trabajo realizado por investigadores de la Universidad de Leibniz de Hannover y la Universidad de Hamburgo, ambas en Alemania. La nueva fuente de vacío exprimido exhibe aproximadamente diez veces menos ruido de fase que las fuentes reportadas anteriormente. Los investigadores lograron esto condisminuyendo las vibraciones que pueden afectar negativamente el estado comprimido y realizando mejoras en un sistema que corrige cualquier ruido de fase restante.
"El mejor enfoque es tratar de reducir la cantidad de ruido de fase intrínseca, pero si no puede hacer eso, puede medir cuánto está temblando y luego usar la retroalimentación para corregirlo", dijo Eric Oelker, primer autor de"utilizamos una variación de un esquema de corrección que se había empleado antes, pero nuestra versión nos permitió aumentar el ancho de banda de los bucles de retroalimentación, suprimiendo el ruido de fase de una manera completamente nueva".
Los investigadores dicen que la nueva fuente de vacío exprimido está casi lista para implementarse en Advanced LIGO. En una investigación separada, han demostrado que también pueden reducir las pérdidas ópticas que pueden degradar el estado de vacío exprimido "."creemos que podemos lograr y este nuevo resultado de ruido de fase más baja, apuntamos a un factor de dos en las mejoras para Advanced LIGO", dijo Mavalvala. "Esperamos lograr mayores mejoras en la sensibilidad de la onda gravitacional de lo que se pensaba anteriormente".
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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