För bara ett år sedan, det National Science Foundation-finansierade Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, eller LIGO, plockade upp viskningar av gravitationsvågor varje månad eller så. Nu, ett nytt tillägg till systemet gör det möjligt för instrumenten att upptäcka dessa krusningar i rymdtid nästan varje vecka.

Sedan starten av LIGOs tredje körning i april, ett nytt instrument känt som en kvantvakuumpressare har hjälpt forskare att välja ut dussintals gravitationsvågsignaler, inklusive en som verkar ha genererats av en binär neutronstjärna - den explosiva sammansmältningen av två neutronstjärnor.

Pressaren, som forskare kallar det, var designad, byggd, och integrerad med LIGOs detektorer av MIT-forskare, tillsammans med medarbetare från Caltech och Australian National University, som beskriver dess arbete i ett papper som publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Vad instrumentet "klämmer" är kvantbrus – oändligt små fluktuationer i utrymmets vakuum som gör att det kommer in i detektorerna. Signalerna som LIGO detekterar är så små att dessa kvant, annars kan mindre fluktuationer ha en kontaminerande effekt, potentiellt leriga eller helt maskera inkommande signaler från gravitationsvågor.

"Där kvantmekaniken kommer in relaterar till det faktum att LIGOs laser är gjord av fotoner, " förklarar huvudförfattaren Maggie Tse, en doktorand vid MIT. "Istället för en kontinuerlig ström av laserljus, om du tittar tillräckligt nära är det faktiskt en bullrig parad av individuella fotoner, var och en under påverkan av vakuumfluktuationer. Medan en kontinuerlig ström av ljus skulle skapa ett konstant brum i detektorn, de individuella fotonerna anländer var och en till detektorn med en liten 'pop'."

"Det här kvantljudet är som ett popcorn-sprakande i bakgrunden som smyger sig in i vår interferometer, och är mycket svår att mäta, " tillägger Nergis Mavalvala, marmorprofessorn i astrofysik och biträdande chef för institutionen för fysik vid MIT.

Med den nya squeezer-tekniken, LIGO har rakat ner detta förvirrande kvantknaster, utökar detektorernas räckvidd med 15 procent. I kombination med en ökning av LIGOs laserkraft, Detta betyder att detektorerna kan plocka ut en gravitationsvåg som genereras av en källa i universum till cirka 140 megaparsec, eller mer än 400 miljoner ljusår bort. Detta utökade räckvidd har gjort det möjligt för LIGO att detektera gravitationsvågor nästan varje vecka.

"När detekteringshastigheten ökar, inte bara förstår vi mer om de källor vi känner till, eftersom vi har mer att studera, men vår potential att upptäcka okända saker kommer in, säger Mavalvala, en mångårig medlem av LIGO:s vetenskapliga team. "Vi kastar ett bredare nät."

Den nya tidningens huvudförfattare är doktoranderna Maggie Tse och Haocun Yu, och Lisa Barsotti, en huvudforskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, tillsammans med andra i LIGO Scientific Collaboration.

Kvantgräns

LIGO består av två identiska detektorer, en belägen i Hanford, Washington, och den andra i Livingston, Louisiana. Varje detektor består av två 4 kilometer långa tunnlar, eller armar, var och en sträcker sig ut från den andra i form av ett "L".

För att upptäcka en gravitationsvåg, forskare skickar en laserstråle från hörnet av den L-formade detektorn, ner för varje arm, i slutet av vilken är upphängd en spegel. Varje laser studsar från sin respektive spegel och går tillbaka ner för varje arm till där den började. Om en gravitationsvåg passerar genom detektorn, den ska flytta en eller båda speglarnas position, vilket i sin tur skulle påverka tidpunkten för varje lasers ankomst tillbaka till dess ursprung. Denna timing är något som forskare kan mäta för att identifiera en gravitationsvågsignal.

Den huvudsakliga källan till osäkerhet i LIGOs mätningar kommer från kvantbrus i en lasers omgivande vakuum. Medan ett vakuum vanligtvis betraktas som en ingenting, eller tomhet i rymden, fysiker förstår det som ett tillstånd där subatomära partiklar (i detta fall, fotoner) skapas och förstörs ständigt, visas och försvinner så snabbt att de är extremt svåra att upptäcka. Både ankomsttiden (fas) och antalet (amplitud) för dessa fotoner är lika okända, och lika osäker, vilket gör det svårt för forskare att plocka ut gravitationsvågsignaler från den resulterande bakgrunden av kvantbrus.

Och ändå, detta kvantknaster är konstant, och när LIGO försöker upptäcka längre, svagare signaler, detta kvantbrus har blivit mer av en begränsande faktor.

"Mätningen vi gör är så känslig att kvantvakuumet spelar roll, " konstaterar Barsotti.

Att sätta squeeze på "läskigt" ljud

Forskargruppen vid MIT började för över 15 år sedan att designa en enhet för att pressa ner osäkerheten i kvantbrus, för att avslöja svagare och mer avlägsna gravitationsvågsignaler som annars skulle begravas kvantbruset.

Quantum squeezing var en teori som först föreslogs på 1980-talet, den allmänna idén är att kvantvakuumbrus kan representeras som en sfär av osäkerhet längs två huvudaxlar:fas och amplitud. Om denna sfär klämdes, som en stressboll, på ett sätt som drog ihop sfären längs amplitudaxeln, detta skulle i själva verket minska osäkerheten i amplitudtillståndet för ett vakuum (den klämda delen av stressbollen), samtidigt som osäkerheten i fastillståndet ökar (stressbollen förskjuts, utspänd del). Eftersom det övervägande är fasosäkerheten som bidrar med brus till LIGO, att krympa den kan göra detektorn mer känslig för astrofysiska signaler.

När teorin först lades fram för nästan 40 år sedan, en handfull forskargrupper försökte bygga kvantklämningsinstrument i labbet.

"Efter dessa första demonstrationer, det blev tyst, " säger Mavalvala.

"Utmaningen med att bygga klämmor är att det pressade vakuumtillståndet är mycket ömtåligt och känsligt, Tse tillägger. i ett stycke, från där det genereras till där det mäts är förvånansvärt svårt. Alla felsteg, och bollen kan studsa tillbaka till sitt opressade tillstånd."

Sedan, runt 2002, precis som LIGOs detektorer först började söka efter gravitationsvågor, forskare vid MIT började tänka på kvantklämning som ett sätt att minska bruset som möjligen skulle kunna maskera en otroligt svag gravitationsvågssignal. De utvecklade en preliminär design för en vakuumpressare, som de testade 2010 på LIGOs Hanford-anläggning. Resultatet var uppmuntrande:Instrumentet lyckades öka LIGOs signal-brusförhållande – styrkan hos en lovande signal kontra bakgrundsbruset.

Sedan dess, laget, ledd av Tse och Barsotti, har förfinat sin design, och inbyggda och integrerade klämmor i båda LIGO-detektorerna. Hjärtat i squeezer är en optisk parametrisk oscillator, eller OPO – en fluga-formad enhet som håller en liten kristall i en konfiguration av speglar. När forskarna riktar en laserstråle mot kristallen, kristallens atomer underlättar interaktioner mellan lasern och kvantvakuumet på ett sätt som omarrangerar deras egenskaper av fas kontra amplitud, skapa en ny, "klämt" vakuum som sedan fortsätter nerför var och en av detektorns arm som det normalt skulle göra. Detta pressade vakuum har mindre fasfluktuationer än ett vanligt vakuum, gör det möjligt för forskare att bättre upptäcka gravitationsvågor.

Förutom att öka LIGOs förmåga att upptäcka gravitationsvågor, den nya kvantpressaren kan också hjälpa forskare att bättre utvinna information om källorna som producerar dessa vågor.

"Vi har detta kusliga kvantvakuum som vi kan manipulera utan att faktiskt bryta mot naturlagarna, och vi kan sedan göra en förbättrad mätning, " säger Mavalvala. "Det säger oss att vi kan göra en slutrunda runt naturen ibland. Inte alltid, men ibland."