Телескоп LIGO преодолел квантовый предел с помощью новой технологии
Телескоп LIGO способен обнаруживать гравитационные волны от черных дыр и столкновений нейтронных звезд, а также измерять растяжение и сжатие пространства-времени в масштабах в 10 тысяч триллионов раз меньше, чем человеческий волос. Инженеры усовершенствовали аппарат, преодолев квантовый предел с помощью технологии «сжатия» света. Теперь исследователи смогут изучить больший объем Вселенной и обнаружить примерно на 60% больше слияний черных дыр, чем раньше.
Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO, расположенная в США, вошла в историю в 2015 году, когда впервые напрямую обнаружила гравитационные волны – рябь в пространстве и времени, создаваемую парой сталкивающихся черных дыр.
С тех пор телескоп LIGO, финансируемый Национальным научным фондом США (NSF) и его дочерний детектор в Европе Virgo, обнаружили гравитационные волны от десятков слияний черных дыр, а также столкновений между нейтронными звездами. Уникальность LIGO в том, что он способен измерять растяжение и сжатие пространства-времени в масштабах, которые в 10 тысяч триллионов раз меньше, чем человеческий волос.
Однако какими бы непостижимо малыми ни были эти измерения, точность LIGO по-прежнему ограничена законами квантовой физики. В крошечных субатомных масштабах пустое пространство заполняется слабым квантовым шумом, который мешает измерениям LIGO и ограничивает его чувствительность.
Исследователи, которые работают над телескопом LIGO, предлагают возможное решение, которое позволит им обойти квантовый предел и измерить колебания в пространстве-времени во всем диапазоне гравитационных частот, обнаруженных обсерваторией. Для этого они разработали квантовую технологию частотно-зависимого «сжатия» света, которая начала работу с мая. Благодаря новому методу, детекторы могут исследовать больший объем Вселенной и, как ожидается, обнаружат примерно на 60% больше слияний черных дыр, чем раньше.
С 2019 года двойные детекторы LIGO сжимают свет таким образом, чтобы повысить свою чувствительность к верхнему частотному диапазону гравитационных волн, которые они обнаруживают. Но для этого приходится чем-то жертвовать. Так, благодаря повышению точности измерений LIGO на высоких частотах измерения стали менее точными на более низких частотах. Однако теперь новые частотно-зависимые оптические резонаторы LIGO — длинные трубки длиной примерно с три футбольных поля — позволяют сжимать свет различными способами в зависимости от интересующей частоты гравитационных волн, тем самым снижая шум во всем диапазоне частот телескопа.
«Теперь, когда этот квантовый предел пройден, мы можем больше времени уделить астрономии, - пояснила один из руководителей исследования Ли Маккаллер. - LIGO использует лазеры и большие зеркала для проведения своих наблюдений, но мы работаем на таком уровне чувствительности, при котором на устройство влияет квантовая сфера».
Полученные результаты также будут полезны для будущих квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры и другая микроэлектроника, а также для экспериментов по фундаментальной физике и других задач, которые требуют измерения расстояний субатомного масштаба с невероятной точностью.
