En banbrytande vibrationssensor kan förbättra nästa generations gravitationsvågsdetektorer för att hitta de minsta kosmiska vågorna från bakgrundsbrummandet av jordens rörelse.

Under sin doktorsexamen, postdoktor Joris van Heijningen från ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), utvecklat världens mest känsliga tröghetsvibrationssensor. Nu, han föreslår en liknande design, men 50 gånger känsligare, vid frekvenser under 10 Hz, med användning av kryogena temperaturer.

Den här nya sensorn mäter vibrationer så små som några femtometer (en miljondels miljarddels meter) med en period på 10 till 100 millisekunder (10 Hz till 100 Hz). Tidningen publicerades nyligen i IOP's Journal of Instrumentation avslöjar en prototyp av nästa generations seismiska isoleringssystem med känslighet ner till 1Hz, med kryogena temperaturer - lägre än 9,2 grader och över den absoluta nollpunkten.

Även om vi inte kan känna det, vår planet vibrerar alltid lite på grund av många olika händelser, både kosmisk och jordisk; till exempel, från gravitationsvågor (små krusningar i rumtiden); havsvågor som slår mot stranden; eller mänsklig aktivitet. Enligt Dr. van Heijningen, vissa platser vibrerar mer än andra och, om du plottar dessa vibrationer, de ligger mellan två linjer som kallas Peterson Low och High Noise Models (LNM/HNM).

De bästa kommersiella vibrationssensorerna har utvecklats för att ha en känslighet som ligger under LNM. De är tillräckligt känsliga för att mäta alla platser på jorden med ett anständigt signal-brus-förhållande, säger van Heijningen.

Hittills, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), med sina fyra kilometer långa armar, använder seismiska isoleringssystem för att förhindra jordiska vibrationer som påverkar vetenskapliga mätningar; dock, framtida gravitationsvågsdetektorer kräver mer avancerade och exakta vibrationssensorer.

Forskare arbetar redan på en tredje generation av detektorer som kommer att ha kraften att upptäcka hundratals fusioner av svarta hål varje år, mäter deras massor och snurrar - till och med mer än LIGO, eller dess europeiska motsvarighet, Jungfrun, kan mäta.

I USA, det kommer att finnas Cosmic Explorer:ett 40 kilometer långt observatorium som kommer att kunna upptäcka hundratusentals svarta håls sammanslagningar varje år. Lika imponerande kommer Einstein-teleskopet att vara i Europa, med sin 10-kilometer beväpnad, triangulär konfiguration byggd under jord.

Framtida detektorer kommer att kunna mäta gravitationsvågor vid frekvenser lägre än strömgränsen ~10 Hz, 'för det är där signalerna från kollisioner av svarta hål lurar, " förklarar van Heijningen. Men en av huvudproblemen med dessa enorma detektorer är att de måste vara extremt stabila – den minsta vibrationen kan hindra detektering.

"Att få systemet nära noll grader Kelvin (vilket är 270 grader under noll celsius) minskar drastiskt det så kallade termiska bruset, som är dominerande vid låga frekvenser. Temperatur är en vibration av atomer i någon mening, och denna minimala vibration orsakar brus i våra sensorer och detektorer, säger van Heijningen.

Framtida detektorer kommer att behöva kylas ner till kryogena temperaturer, men det är ingen lätt bedrift. När forskarna väl har uppnått det, Att utnyttja den kryogena miljön kommer att förbättra sensorprestandan enligt denna förslagsdesign. Vid sin nya tjänst som forskare vid UCLouvain i Belgien, van Heijningen planerar att prototypa denna sensordesign och testa dess prestanda för Einstein-teleskopet.