Оборудование для обнаружения гравитационных волн может измерять искажения в ткани пространства-времени размером всего в одну триллионную ширины человеческого волоса — достаточно малые, чтобы услышать интерференцию входящих и выходящих частиц. Теперь установка LIGO преодолела этот квантовый предел, «сжимая» лазерный свет, тем самым увеличивая возможности обнаружения гравитационных волн примерно на 60%.
Когда сталкиваются сверхмассивные объекты, такие как черные дыры, высвобождаемой энергии достаточно, чтобы вызвать волну в реальности. Эйнштейн впервые предсказал эти гравитационные волны более века назад, но только в 2015 году ученые, наконец, впервые обнаружили их напрямую.
Объектом, ответственным за это важное обнаружение, является Лазерно-Интерферометрическая Гравитационно-Волновая Обсерватория (LIGO), которая работает, направляя лазерный свет в два длинных туннеля, отражаясь от зеркал, а затем измеряя, как свет возвращается. Контролируя другие эффекты и внимательно наблюдая, детекторы могут обнаружить крошечные искажения в лазерном луче (меньше ширины протона), которые указывают на то, что через него прошла гравитационная волна. За прошедшие годы LIGO и другие детекторы зафиксировали десятки сигналов гравитационных волн.
Но существуют пределы чувствительности этих установок, определяемые законами самой квантовой физики. Хотя вакуум (в том числе вакуум в лазерных трубках LIGO) часто считают совершенно пустым пространством, достичь этого невозможно. Квантовые флуктуации означают, что частицы постоянно появляются, живут доли секунды, а затем снова исчезают. Этот слабый квантовый шум мешает наблюдениям LIGO и накладывает жесткие ограничения на наблюдения.
Теперь ученые LIGO нашли и продемонстрировали способ добиться прорыва, используя технику, называемую квантовым сжатием. В этом методе используется принцип неопределенности, который гласит, что чем точнее вы знаете одну особенность объекта, тем менее точны вы будете в отношении других характеристик. Самый распространенный пример — частица, подпрыгивающая в ящике: если вы можете точно измерить ее положение в определенный момент времени, вы меньше знаете о ее импульсе, и наоборот.
В этом случае ученые манипулировали принципом неопределенности, чтобы получить больше информации от лазеров LIGO, регулируя два свойства света: фазу и амплитуду. Специальные кристаллы, добавленные в конвейер во время обновления 2019 года, «сжимают» фазу света, так что фотоны достигают датчика в более предсказуемое время. Конечно, это также уменьшит достоверность амплитуды, а это означает, что лазер заставит зеркало вибрировать, маскируя любые низкочастотные гравитационные волны, которые оно может обнаружить.
Чтобы решить эту проблему, на LIGO был установлен новый инструмент, названный частотно-зависимым резонатором сжатия. Как следует из названия, принцип его работы заключается в сжатии света разных частот с разными свойствами для достижения лучшего из обоих миров. Для наиболее точного обнаружения гравитационных волн ученым необходимо больше уверенности в отношении амплитуды на более низких частотах и фазы на более высоких частотах, и теперь эта система может это сделать.
«Раньше нам приходилось выбирать, где мы хотим, чтобы LIGO был более точным», — сказала Рана Адхикари, автор исследования. «Теперь мы можем разрезать торт и праздновать. Мы давно знали, как записать уравнения, чтобы добиться этого, но только сейчас мы не знаем, сможем ли мы на самом деле достичь этого. Это похоже на научную фантастику».
По словам команды, преодолев этот квантовый предел, повышенная точность позволит LIGO обнаруживать на 60% больше гравитационных волн, чем раньше. Ожидается, что партнерская обсерватория LIGO Virgo в Италии также начнет использовать частотно-зависимое сжатие к концу следующего года.
Исследовательская группа описывает работу в видео ниже.