I et papir, der blev offentliggjort tidligere i denne måned i Fysiske gennemgangsbreveEt team af fysikere ledet af Jonathan Richardson fra University of California, Riverside, viser, hvordan ny optisk teknologi kan udvide detektionsområdet for tyngdekraftsbølgeobservatorier, såsom laserinterferometer gravitationsbølgeobservatorium, eller Ligo, og baner vejen for Fremtidige observatorier.
Siden 2015 har observatorier som Ligo åbnet et nyt vindue på universet. Planer for fremtidige opgraderinger til de 4 kilometer ligo-detektorer og opførelsen af en næste generations 40-kilometer observatorium, kosmisk opdagelsesrejsende, sigter mod at skubbe gravitationsbølgeretektionshorisonten til de tidligste tider i universets historie, før den første Stjerner dannet. Imidlertid hænger det at indse, at disse planer hænger sammen med at opnå laserkraftniveauer, der overstiger 1 megawatt, langt ud over Ligos kapaciteter i dag.
Forskningsdokumentet rapporterer et gennembrud, der gør det muligt for gravitationsbølgedetektorer at nå ud til ekstreme laserkræfter. Den præsenterer en ny adaptiv optik-tilgang med lavt støj, højopløsningsopløsningsoptik, der kan korrigere de begrænsende forvrængninger af Ligos vigtigste 40-kg spejle, der opstår med stigende laserkraft på grund af opvarmning.
Richardson, en adjunkt i fysik og astronomi, forklarer papirets fund i følgende spørgsmål og spørgsmål:
Hvad er gravitationsbølger?
Gravitationsbølger er en ny måde at observere universet på. De er forudsagt af ligningerne for generel relativitet. Når massive genstande accelererer eller kolliderer i universet, udbreder forvrængninger i stoffet af rum-tid som krusninger i en dam med lysets hastighed. Disse forvrængninger er gravitationsbølger, og ligesom elektromagnetiske bølger bærer de energi og momentum. Vi har nu en masse information om de ekstreme astrofysiske genstande som sorte huller, der skaber dem og om fysikken i den underliggende natur af rumtid, som disse bølger rejser igennem for at nå os.
Hvordan fungerer LIGO?
Ligo er et af de største videnskabelige udstyr i verden. Det består af to 4 kilometer med 4 kilometer lange laserinterferometre. En af disse interferometre er i staten i landet i landet; Den anden er uden for Baton Rouge, Louisiana. Disse søstersteder opererer i tandem og lytter passivt til eventuelle forvrængninger af rumtiden, der kan ske for at udbrede sig gennem Jorden som en gravitationsbølge.
Ligo hidtil har set omkring 200 begivenheder med stjernesmasse -kompakte genstande, der kolliderer og fusionerer med hinanden. Det overvældende flertal har været fusioner af to sorte huller, men vi har også set fusioner af neutronstjerner. Jeg håber, at vi en dag kan opdage en kilde, der er helt uventet og uforudsiget. Hvis du ser på astronomiens historie, hver gang vi har udviklet elektromagnetiske teleskoper, der kan observere en anden bølgelængde af lys, end aldrig er blevet observeret før, ser vi universet bogstaveligt talt i et nyt lys og har næsten altid opdaget nye typer genstande synlig i det bølgelængdebånd, men ikke i andre. Jeg håber, at det samme gælder for gravitationsbølger.
Fortæl os om det instrument, du har udviklet i dit laboratorium, der har LIGO -applikationer.
Mit fokus på UCR er på at udvikle nye typer laseradaptiv optisk teknologi for at overvinde meget grundlæggende fysikbegrænsninger for, hvor følsomme vi kan fremstille detektorer som Ligo. På tværs af de fleste gravitationsbølgesignalfrekvenser, vi kan se fra jorden, er næsten alle af dem begrænset i følsomhed ved kvantemekanik, af kvanteegenskaberne i selve laserlyset, som vi bruger i interferometeret til at afvise spejle. Det instrument, vi har udviklet i mit laboratorium, er designet til at levere præcision optiske korrektioner direkte til de vigtigste spejle i Ligo -interferometre. Vores instrument er designet til at sidde bare centimeter foran den reflekterende overflade af disse spejle og projicere meget lav støj korrigerende infrarød stråling på spejlets forreste overflade. Det er den første prototype til en helt ny type tilgang, der bruger ikke-billedlige optiske principper, som aldrig er blevet brugt i gravitationsbølgedetektion før.
Hvad er Cosmic Explorer?
Cosmic Explorer er det amerikanske koncept for et næste generations gravitationsbølgeobservatorium efter Ligo. Det vil være 10 gange størrelsen på Ligo, så det er 40 x 40 kilometer lange interferometerarme. Det vil være det største videnskabelige instrument, der nogensinde er bygget. Ved deres designfølsomhed vil disse detektorer se universet på tidligere tidspunkter end når de første stjerner antages at have dannet sig, da universet var ca. 0,1% af sin nuværende alder på 14 milliarder år. Vi vil være i stand til at se et øjebliksbillede af universet på et meget tidligt tidspunkt i tiden.
Kort fortalt, hvad diskuterer forskningsdokumentet?
Papiret viser, at optiske korrektioner med høj præcision er vigtig for at udvide vores gravitationsbølgebillede af universet. Det lægger de potentielle konsekvenser for den indflydelse, vi forventer, at vores nye teknologi vil have i den næste generation af Ligo og i årene ud over det. Det er vigtigt, at papiret viser, at denne type teknologi er nødvendig og tilstrækkelig til at muliggøre meget højere niveauer af cirkulerende laserkraft i LIGO -detektorerne end nogensinde før. Vi forventer, at denne teknologi og fremtidige versioner af den vil være i stand til at opnå mere strøm i interferometeret.
Hvorfor er det vigtigt at undersøge denne forskning?
Denne forskning lover at besvare nogle af de dybeste spørgsmål inden for fysik og kosmologi, såsom hvor hurtigt universet udvides og den sande natur af sorte huller. Der er to modstridende foranstaltninger lige nu af universets lokale ekspansionshastighed, som gravitationsbølger potentielt kan løse. Gravitationsbølger vil også give udsøgt høje præcisionsmålinger af den detaljerede dynamik omkring begivenhedshorisonterne i sorte huller, hvilket giver os mulighed for at foretage direkte test af klassisk generel relativitet og alternative teorier.