National Science Foundations LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) kommer att återuppta sin jakt på gravitationsvågor – krusningar i rum och tid – den 1 april, efter att ha fått en rad uppgraderingar av sina lasrar, speglar, och andra komponenter. LIGO – som består av tvillingdetektorer i Washington och Louisiana – har nu en sammanlagd ökning av känsligheten på cirka 40 procent jämfört med sin senaste körning, vilket innebär att den kan övervaka en ännu större volym av utrymme än tidigare för kraftfulla, vågskapande händelser, som kollisioner av svarta hål.

Jungfrun kommer att gå med i sökandet, den europeiskt baserade gravitationsvågsdetektorn, belägen vid European Gravitational Observatory (EGO) i Italien, som nästan har fördubblat sin känslighet sedan den senaste körningen och startar även den 1 april.

"För denna tredje observationskörning, vi uppnådde betydligt större förbättringar av detektorernas känslighet än vi gjorde för den senaste körningen, säger Peter Fritschel, LIGO:s chefsdetektorforskare vid MIT. "Och med LIGO och Jungfrun som observerar tillsammans för nästa år, vi kommer säkert att upptäcka många fler gravitationsvågor från de typer av källor vi har sett hittills. Vi är ivriga att se nya evenemang också, som en sammanslagning av ett svart hål och en neutronstjärna."

2015, efter att LIGO började observera för första gången i ett uppgraderat program som heter Advanced LIGO, det skrev snart historia genom att göra den första direkta upptäckten av gravitationsvågor. Krusningarna reste till jorden från ett par kolliderande svarta hål som ligger 1,3 miljarder ljusår bort. För denna upptäckt, tre av LIGOs nyckelspelare—Caltechs Barry C. Barish, Ronald och Maxine Linde professor i fysik, Emeritus, och Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik, Emeritus, tillsammans med MIT:s Rainer Weiss, professor i fysik, emeritus – tilldelades 2017 års Nobelpris i fysik.

Sedan dess, LIGO-Virgo-detektornätverket har avslöjat ytterligare nio sammanslagningar av svarta hål och en explosiv sammanslagning av två neutronstjärnor. Den händelsen, dubbad GW170817, genererade inte bara gravitationsvågor utan ljus, som observerades av dussintals teleskop i rymden och på marken.

"Med våra tre detektorer nu i drift med en avsevärt förbättrad känslighet, det globala LIGO-Virgo-detektornätverket kommer att möjliggöra mer exakt triangulering av källorna till gravitationsvågor, säger Jo van den Brand från Nikhef (det holländska nationella institutet för subatomisk fysik) och VU University Amsterdam, som är talesperson för Jungfrusamarbetet. "Detta kommer att vara ett viktigt steg mot vår strävan efter multi-budbärare astronomi."

Nu, med starten av nästa gemensamma LIGO-Virgo-lopp, observatorierna är redo att upptäcka ett ännu större antal svarta håls sammanslagningar och andra extrema händelser, som ytterligare sammanslagningar av neutron-neutronstjärnor eller en sammanslagning av svarta hål-neutronstjärnor som ännu inte har setts. En av de mått som teamet använder för att mäta ökningar i känslighet är att beräkna hur långt ut de kan upptäcka sammanslagningar av neutron-neutronstjärnor. I nästa körning, LIGO kommer att kunna se dessa händelser på i genomsnitt 550 miljoner ljusår bort, eller mer än 190 miljoner ljusår längre bort än tidigare.

En nyckel för att uppnå denna känslighet involverar lasrar. Varje LIGO-installation består av två långa armar som bildar en L-formad interferometer. Laserstrålar skjuts från hörnet av "L" och studsar från speglar innan de färdas tillbaka ner för armarna och kombineras igen. När gravitationsvågor passerar, de sträcker och klämmer utrymme själv, gör omärkligt små förändringar av avståndet som laserstrålarna färdas och påverkar därmed hur de rekombinerar. För nästa körning, lasereffekten har fördubblats för att mer exakt mäta dessa avståndsförändringar, därigenom ökar detektorernas känslighet för gravitationsvågor.

Andra uppgraderingar gjordes av LIGOs speglar på båda platserna, med totalt fem av åtta speglar som byts ut mot bättre presterande versioner.

"Vi var tvungna att bryta fibrerna som håller speglarna och mycket försiktigt ta ut optiken och byta ut dem, " säger Calum Torrie, LIGO:s maskin-optiska ingenjörschef på Caltech. "Det var ett enormt ingenjörsuppdrag."

Denna nästa körning inkluderar också uppgraderingar utformade för att minska nivåerna av kvantbrus. Kvantbrus uppstår på grund av slumpmässiga fluktuationer av fotoner, vilket kan leda till osäkerhet i mätningarna och kan maskera svaga gravitationsvågsignaler. Genom att använda en teknik som kallas "klämma, "ursprungligen utvecklad för gravitationsvågsdetektorer vid Australian National University, och mognat och rutinmässigt använt sedan 2010 på GEO600-detektorn, forskare kan flytta osäkerheten i fotonerna runt omkring, göra deras amplituder mindre säkra och deras faser, eller timing, mer säker. Tidpunkten för fotoner är det som är avgörande för LIGO:s förmåga att upptäcka gravitationsvågor.

Torrie säger att LIGO-teamet har ägnat månader åt att driftsätta alla dessa nya system, se till att allt är justerat och fungerar korrekt. "En av de saker som är tillfredsställande för oss ingenjörer är att veta att alla våra uppgraderingar innebär att LIGO nu kan se längre ut i rymden för att hitta de mest extrema händelserna i vårt universum."