I ricercatori dell'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ) hanno utilizzato l'infrastruttura dell'ex rivelatore di onde gravitazionali TAMA300 a Mitaka, Tokio, per dimostrare una nuova tecnica per ridurre il rumore quantistico nei rivelatori. Questa nuova tecnica aumenterà la sensibilità dei rivelatori che comprendono una rete collaborativa mondiale di onde gravitazionali, permettendo loro di osservare onde più deboli.

Quando ha iniziato le osservazioni nel 2000, TAMA300 è stato uno dei primi rilevatori di onde gravitazionali interferometriche su larga scala al mondo. A quel tempo TAMA300 aveva la più alta sensibilità al mondo, fissare un limite superiore alla forza dei segnali di onde gravitazionali; ma il primo rilevamento di onde gravitazionali effettive è stato effettuato 15 anni dopo, nel 2015, da LIGO. Da allora, la tecnologia dei rilevatori è migliorata al punto che i rilevatori moderni osservano diversi segnali al mese. I risultati scientifici ottenuti da queste osservazioni sono già impressionanti, e molti altri sono previsti nei prossimi decenni. TAMA300 non partecipa più alle osservazioni, ma è ancora utilizzato come banco di prova per nuove tecnologie per migliorare altri rivelatori.

La sensibilità dei rilevatori di onde gravitazionali attuali e futuri è limitata a quasi tutte le frequenze dal rumore quantistico causato dagli effetti delle fluttuazioni del vuoto dei campi elettromagnetici. Ma anche questo rumore quantistico intrinseco può essere aggirato. È possibile manipolare le fluttuazioni del vuoto per ridistribuire le incertezze quantistiche, diminuire un tipo di rumore a scapito di aumentarne un altro, tipo di rumore meno ostruttivo. Questa tecnica, noto come spremitura a vuoto, è già stato implementato nei rivelatori di onde gravitazionali, aumentando notevolmente la loro sensibilità alle onde gravitazionali a frequenza più elevata. Ma l'interazione optomeccanica tra il campo elettromagnetico e gli specchi del rivelatore fa sì che l'effetto della compressione del vuoto cambi a seconda della frequenza. Quindi alle basse frequenze, la spremitura a vuoto aumenta il tipo sbagliato di rumore, sensibilità in realtà degradante.

Per superare questa limitazione e ottenere un rumore ridotto a tutte le frequenze, un team di NAOJ composto da membri del Gravitational Wave Science Project interno e della collaborazione KAGRA (ma che include anche ricercatori delle collaborazioni Virgo e GEO) ha recentemente dimostrato la fattibilità di una tecnica nota come spremitura del vuoto dipendente dalla frequenza alle frequenze utile per i rilevatori di onde gravitazionali. Poiché il rivelatore stesso interagisce con i campi elettromagnetici in modo diverso a seconda della frequenza, il team ha utilizzato l'infrastruttura dell'ex rivelatore TAMA300 per creare un campo che a sua volta varia a seconda della frequenza. Un normale campo di vuoto compresso (indipendente dalla frequenza) viene riflesso da una cavità ottica lunga 300 metri, tale da imprimere una dipendenza dalla frequenza ed essere in grado di contrastare l'effetto optomeccanico dell'interferometro.

Questa tecnica consentirà una migliore sensibilità sia alle alte che alle basse frequenze contemporaneamente. Questo è un risultato cruciale che dimostra una tecnologia chiave per migliorare la sensibilità dei futuri rivelatori. La sua attuazione, pianificato come un aggiornamento a breve termine, insieme ad altri miglioramenti, dovrebbe raddoppiare il raggio di osservazione dei rivelatori di seconda generazione.

Questi risultati appariranno come Zhao, Y., et al. "Sorgente di vuoto schiacciato dipendente dalla frequenza per la riduzione del rumore quantistico a banda larga in rivelatori avanzati di onde gravitazionali" in Lettere di revisione fisica il 28 aprile 2020. Un risultato simile è stato ottenuto da un gruppo del MIT utilizzando una cavità del filtro di 16 m, e i due documenti saranno pubblicati congiuntamente.