Dal momento che la storica scoperta delle onde gravitazionali di due buchi neri che si scontrano a oltre un miliardo di anni luce di distanza è stata fatta nel 2015, i fisici stanno facendo avanzare le conoscenze sui limiti alla precisione delle misurazioni che contribuiranno a migliorare la prossima generazione di strumenti e tecnologie utilizzate dagli scienziati delle onde gravitazionali.

Il Professore Associato del Dipartimento di Fisica e Astronomia della LSU Thomas Corbitt e il suo team di ricercatori presentano ora la prima banda larga, misurazione fuori risonanza del rumore della pressione della radiazione quantistica nella banda audio, a frequenze relative ai rivelatori di onde gravitazionali, come riportato oggi sulla rivista scientifica Natura . La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation, o NSF, e i risultati suggeriscono metodi per migliorare la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali sviluppando tecniche per mitigare l'imprecisione nelle misurazioni chiamate "azione posteriore, " aumentando così le possibilità di rilevare onde gravitazionali.

Corbitt e i ricercatori hanno sviluppato dispositivi fisici che consentono di osservare e ascoltare gli effetti quantistici a temperatura ambiente. Spesso è più facile misurare gli effetti quantistici a temperature molto basse, mentre questo approccio li avvicina all'esperienza umana. Ospitato in modelli in miniatura di rilevatori come LIGO, o l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser, situato a Livingston, La., e Hanford, Lavare., questi dispositivi sono costituiti da basse perdite, microrisonatori a cristallo singolo:ciascuno un minuscolo cuscinetto a specchio delle dimensioni di una puntura di spillo, sospeso da un cantilever. Un raggio laser è diretto su uno di questi specchi, e mentre il raggio si riflette, la pressione di radiazione fluttuante è sufficiente per piegare la struttura a sbalzo, facendo vibrare il cuscinetto dello specchio, che crea rumore.

Gli interferometri ad onde gravitazionali utilizzano quanta più potenza laser possibile per ridurre al minimo l'incertezza causata dalla misurazione di fotoni discreti e per massimizzare il rapporto segnale-rumore. Questi raggi ad alta potenza aumentano la precisione della posizione ma aumentano anche l'azione all'indietro, che è l'incertezza nel numero di fotoni che riflettono da uno specchio che corrisponde a una forza fluttuante dovuta alla pressione di radiazione sullo specchio, provocando un movimento meccanico. Altri tipi di rumore, come il rumore termico, di solito dominano sul rumore della pressione delle radiazioni quantistiche, ma Corbitt e la sua squadra, compresi i collaboratori del MIT e Crystalline Mirror Solutions, hanno ordinato attraverso di loro. LIGO avanzato e altri interferometri di seconda e terza generazione saranno limitati dal rumore della pressione della radiazione quantistica a basse frequenze quando funzionano alla massima potenza del laser. La carta di Corbitt in Natura offre indizi su come i ricercatori possono aggirare questo problema quando misurano le onde gravitazionali.

"Dato l'imperativo di rivelatori di onde gravitazionali più sensibili, è importante studiare gli effetti del rumore di pressione della radiazione quantistica in un sistema simile a Advanced LIGO, che sarà limitato dal rumore della pressione della radiazione quantistica su un'ampia gamma di frequenze lontane dalla frequenza di risonanza meccanica della sospensione di massa di prova, " ha detto Corbit.

L'ex consigliere accademico di Corbitt e autore principale del Natura carta, Jonathan Cripe, laureato alla LSU con un dottorato di ricerca. in fisica lo scorso anno ed è ora ricercatore post-dottorato presso il National Institute of Standards and Technology:

"Giorno per giorno alla LSU, mentre stavo facendo il lavoro in background di progettare questo esperimento e i micro-specchi e posizionare tutte le ottiche sul tavolo, Non ho davvero pensato all'impatto dei risultati futuri, " Cripe ha detto. "Mi sono concentrato su ogni singolo passo e ho preso le cose un giorno alla volta. [Ma] ora che abbiamo completato l'esperimento, è davvero sorprendente fare un passo indietro e pensare al fatto che la meccanica quantistica, qualcosa che sembra ultraterreno e rimosso dall'esperienza umana quotidiana, è il principale motore del movimento di uno specchio visibile all'occhio umano. Il vuoto quantistico, o 'nulla, ' può avere un effetto su qualcosa che puoi vedere."

Pedro Marronetti, un fisico e direttore del programma NSF, osserva che può essere difficile testare nuove idee per migliorare i rilevatori di onde gravitazionali, soprattutto quando si riduce il rumore che può essere misurato solo in un interferometro a scala reale:

"Questa svolta apre nuove opportunità per testare la riduzione del rumore, " ha detto. La relativa semplicità dell'approccio lo rende accessibile da una vasta gamma di gruppi di ricerca, potenzialmente aumentando la partecipazione della più ampia comunità scientifica all'astrofisica delle onde gravitazionali".