Stanford-forskare kommer att leda ett nytt nationellt samarbete, LIGO Scientific Collaboration Center for Coatings Research, för att förbättra detektionen av gravitationsvågor vid de dubbla LIGO-anläggningarna.
LIGO, laserinterferometerns gravitationsvågobservatorium, har ett skalaproblem:galaxskakande händelser som den nyligen avslöjade kollisionen mellan två neutronstjärnor hände så långt bort att ekona tog 130 miljoner år att resa till vår planet. En kollision av svarta hål som upptäcktes 2015 var ännu längre, 1,3 miljarder ljusår bort.
När effekterna av dessa enorma händelser når jorden, de är så små att de bara kan upptäckas med den mest känsliga utrustning som forskare kan tänka ut. Förändringar i avstånd (som detekterats över de vidsträckta fyra kilometer långa armarna av LIGO) orsakade av gravitationsvågor, sa Stanford-forskaren Riccardo Bassiri, är "tusen gånger mindre än storleken på en atomkärna."
Varje "brus" eller molekylär oordning som introduceras av speglarna kan helt skymma de svaga signalerna från avlägsna gravitationsvågskällor.
"Det är helt fantastiskt, denna fyra kilometer, massiv maskin - och beläggningarna på speglarna spelar denna nyckelroll i hur många gravitationsvåghändelser vi kan observera, " sa Bassiri. Till slut, känsligheten hos LIGOs massiva interferometrar begränsas av vibrationer i atomär skala av molekyler i speglarna som reflekterar anläggningarnas kraftfulla lasrar. Dessa vibrationer kallas gemensamt för Brownskt termiskt brus. Enligt Bassiri, det kommer att vara den dominerande bruskällan som begränsar LIGOs känslighet, och en stor utmaning för framtida generationer av anläggningarna.
Målet med det nya centret, bestående av 10 amerikanska institutioner och leds i Stanford av Martin Fejer, professor i tillämpad fysik, kommer att vara att förbättra LIGOs känslighet med bättre beläggningar för dess interferometrar. Forskare hoppas kunna ha nytt material klart i tid för nästa uppdatering av LIGO-anläggningarna om så snart som tre år. Om de lyckas och halverar mängden termiskt brus från spegelbeläggningarna, de skulle kunna utöka volymen av universum som LIGO kan observera åtta gånger över nuvarande kapacitet.
Beläggningarna i fråga består av flera lager som inte är större än några hundra nanometer i tjocklek vardera – hundratals gånger tunnare än ett människohår. Förr, forskare har följt en iterativ process, skapa en ny beläggning och sedan testa den, hoppas kunna förbättras jämfört med tidigare versioner.
Genom det nya centret, Stanford kommer att vara ledande forskare och anläggningar över hela landet i vad de hoppas ska vara ett mer riktat tillvägagångssätt. Till exempel, arbetar med medarbetare vid SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, forskare kan inspektera nyutvecklade spegelbeläggningar på atomnivå.
Med denna kritiska massa av finansiering och deltagande, "istället för att följa den här edisoniska trial-and-error-metoden, vi kan komma till en material-by-design-process, " sa Bassiri. "I slutändan, belöningen för att utveckla bättre beläggningar för LIGO kommer att vara att ytterligare möjliggöra utforskning av universum genom gravitationsvågastronomi."
