Un anno fa, è stata annunciata la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali. Esperti laser del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), della Leibniz Universität Hannover, e dal Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ha giocato un ruolo di primo piano in questa scoperta, perché la loro tecnologia laser super precisa al centro degli strumenti LIGO negli Stati Uniti ha consentito il rilevamento di deboli segnali di onde gravitazionali. Ora, I ricercatori dell'AEI hanno presentato due nuove tecnologie in grado di aumentare ulteriormente la sensibilità dei futuri rilevatori di onde gravitazionali. La Max Planck Society rafforza ora lo sviluppo di sistemi laser per rilevatori di onde gravitazionali di terza generazione. L'AEI, in collaborazione con LZH, riceve nei prossimi cinque anni 3,75 milioni di euro di fondi per la ricerca per lo sviluppo di nuovi laser Zentrum Hannover riceve nei prossimi cinque anni 3,75 milioni di euro di fondi per la ricerca per lo sviluppo di nuovi laser e metodi di stabilizzazione.

"Abbiamo fatto due passi avanti importanti, " dice Apl. Prof. Benno Willke, leader del gruppo di sviluppo laser presso l'AEI. "Il nostro lavoro è un altro passo verso l'utilizzo di un nuovo tipo di profilo del raggio laser nei rivelatori interferometrici di onde gravitazionali. Inoltre, abbiamo mostrato come aumentare la stabilità di potenza dei laser ad alta potenza utilizzati nei rivelatori. Questi sono passi importanti verso il futuro dell'astronomia delle onde gravitazionali." I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista scientifica Lettere di ottica e sono stati segnalati dalla redazione.

Raggi laser più omogenei

I raggi di tutti i sistemi laser attualmente utilizzati nei rivelatori di onde gravitazionali hanno un'intensità maggiore al centro che ai bordi. Ciò porta a una forte influenza indesiderata delle fluttuazioni della superficie dello specchio sulla precisione di misurazione dei rivelatori di onde gravitazionali. Questo cosiddetto rumore termico può essere ridotto da una distribuzione più omogenea dell'intensità del laser.

Nel 2013 un team con il coinvolgimento dell'AEI ha mostrato come i raggi laser ad alta potenza più omogenei nel cosiddetto LG ₃₃ modalità può essere creata. Ora, Andreas Noack ha studiato nella sua tesi di laurea nel team di Benno Willke come questi raggi laser possono essere alimentati in futuri rivelatori di onde gravitazionali.

Il primo passo verso il rilevatore è un dispositivo noto come detergente pre-modalità, che ottimizza il profilo del fascio e riduce il tremolio del fascio. Il team di Willke ha dimostrato che il nuovo LG ₃₃ raggio non è compatibile con i pulitori pre-modalità attualmente in uso. I ricercatori hanno anche mostrato come risolvere questo problema. Hanno sviluppato un nuovo pulitore pre-modalità, che è compatibile con l'LG ₃₃ raggi laser.

"Il progetto dei rivelatori di onde gravitazionali di prossima generazione non è impostato, " dice Willke. "Pertanto, stiamo testando diversi tipi di laser per avere quante più opzioni possibili per i nuovi rilevatori di onde gravitazionali. Ora abbiamo fatto un grande passo avanti con il promettente LG ₃₃ travi."

Miglioramento della stabilità della potenza laser per i nuovi rilevatori di onde gravitazionali

Tutti i rivelatori interferometrici di onde gravitazionali come LIGO, Vergine, e GEO600 si affidano a sistemi laser che mantengono stabile la loro potenza di uscita elevata negli anni e che mostrano fluttuazioni di potenza in tempi brevissimi. Il gruppo di ricerca di Benno Willke svolge un ruolo di primo piano a livello mondiale in quest'area di ricerca. Hanno costruito i sistemi laser per GEO600 e Advanced LIGO, senza la quale la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali nel settembre 2015 non sarebbe stata possibile.

Ora, Jonas Junker ha ulteriormente perfezionato il sistema di stabilizzazione della potenza esistente nella sua tesi di laurea magistrale nel team di Willke. Una parte della luce laser viene prelevata e distribuita su più fotorivelatori per determinare con precisione la potenza totale del laser. Se varia, la potenza del laser principale viene corretta di conseguenza. Nel loro esperimento, gli scienziati hanno esteso il sistema attuale aggiungendo, tra l'altro, un altro fotorivelatore per controllare e correggere anche il puntamento del raggio laser.

Lo schema migliorato di stabilizzazione della potenza è stato applicato con successo al sistema laser da 35 Watt del prototipo di interferometro da 10 metri dell'AEI. Il prototipo è utilizzato dai ricercatori di Hannover per dimostrazioni e test di tecnologie per la terza generazione di rivelatori e per la ricerca sugli effetti della meccanica quantistica in questi strumenti. Il livello di stabilità di potenza raggiunto è cinque volte superiore a quello di esperimenti comparabili di altri gruppi. Questo valore concorda molto bene con i risultati di esperimenti isolati da tavolo.

"Un esperimento nell'ambiente ben isolato di un laboratorio ottico è completamente diverso da un complesso esperimento su larga scala come il prototipo di 10 metri. Abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile trasferire l'eccellente livello di stabilità da un tavolo sperimentare, " dice Willke. "Mostriamo che questi array di fotodiodi funzionano come previsto, il che significa che dovrebbe essere possibile ottenere questa elevata stabilità anche con gli identici array di multi-fotorivelatori utilizzati in Advanced LIGO."