Dal momento in cui l'innovativo rilevamento del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), nel 2015, di onde gravitazionali prodotte da una coppia di buchi neri in collisione, l'osservatorio, insieme alla sua struttura partner europea Virgo, ha rilevato dozzine di rumori cosmici simili che inviano increspature attraverso lo spazio e il tempo.

Nel futuro, man mano che vengono effettuati sempre più aggiornamenti agli osservatori LIGO finanziati dalla National Science Foundation, uno a Hanford, Washington, e l'altro a Livingston, Louisiana:le strutture dovrebbero rilevare un numero sempre maggiore di questi eventi cosmici estremi. Queste osservazioni aiuteranno a risolvere misteri fondamentali sul nostro universo, come come si formano i buchi neri e come vengono fabbricati gli ingredienti del nostro universo.

Un fattore importante nell'aumento della sensibilità degli osservatori riguarda i rivestimenti sugli specchi di vetro che si trovano nel cuore degli strumenti. Ogni specchio da 40 chilogrammi (88 libbre) (ce ne sono quattro in ciascun rivelatore nei due osservatori LIGO) è rivestito con materiali riflettenti che essenzialmente trasformano il vetro in specchi. Gli specchi riflettono i raggi laser sensibili al passaggio delle onde gravitazionali.

In genere, più riflettenti sono gli specchi, più lo strumento è sensibile, ma c'è un problema:i rivestimenti che rendono riflettenti gli specchi possono anche portare a rumore di fondo nello strumento, rumore che maschera i segnali di interesse delle onde gravitazionali.

Ora, un nuovo studio del team LIGO descrive un nuovo tipo di rivestimento a specchio composto da ossido di titanio e ossido di germanio, e delinea come può ridurre il rumore di fondo negli specchi di LIGO di un fattore due, aumentando così il volume di spazio che LIGO può sondare di un fattore otto.

"Volevamo trovare un materiale al limite di ciò che è possibile oggi, "dice Gabriele Vajente, un ricercatore senior di LIGO al Caltech e autore principale di un articolo sul lavoro che appare sulla rivista Lettere di revisione fisica . "La nostra capacità di studiare la scala astronomica dell'universo è limitata da ciò che accade in questo minuscolo spazio microscopico".

"Con questi nuovi rivestimenti, ci aspettiamo di essere in grado di aumentare il tasso di rilevamento delle onde gravitazionali da una volta alla settimana a una volta al giorno o più, "dice David Reitze, direttore esecutivo del Laboratorio LIGO al Caltech.

La ricerca, che potrebbero avere future applicazioni nei settori delle telecomunicazioni e dei semiconduttori, è stata una collaborazione tra Caltech; Università statale del Colorado; l'Università di Montreal; e la Stanford University, il cui sincrotrone presso lo SLAC National Accelerator Laboratory è stato utilizzato nella caratterizzazione dei rivestimenti.

LIGO rileva le increspature nello spazio-tempo utilizzando rilevatori chiamati interferometri. In questa configurazione, un potente raggio laser è diviso in due:ogni raggio viaggia lungo un braccio di un grande involucro sottovuoto a forma di L verso specchi a 4 chilometri di distanza. Gli specchi riflettono i raggi laser verso la sorgente da cui hanno avuto origine. Quando le onde gravitazionali passano, allungheranno e comprimeranno lo spazio di quantità quasi impercettibili e tuttavia rilevabili (molto inferiori alla larghezza di un protone). Le perturbazioni modificano i tempi di arrivo dei due raggi laser alla sorgente.

Qualsiasi oscillazione negli specchi stessi, anche le microscopiche vibrazioni termiche degli atomi nei rivestimenti degli specchi, può influenzare i tempi di arrivo dei raggi laser e rendere difficile l'isolamento dei segnali delle onde gravitazionali.

"Ogni volta che la luce passa tra due materiali diversi, una frazione di quella luce viene riflessa, " dice Vajente. "Questa è la stessa cosa che accade nelle tue finestre:puoi vedere il tuo debole riflesso nel vetro. Aggiungendo più strati di materiali diversi, possiamo rinforzare ogni riflesso e rendere i nostri specchi riflettenti fino al 99,999 per cento."

"La cosa importante di questo lavoro è che abbiamo sviluppato un nuovo modo per testare meglio i materiali, " dice Vajente. "Ora possiamo testare le proprietà di un nuovo materiale in circa otto ore, completamente automatizzato, quando prima ci voleva quasi una settimana. Questo ci ha permesso di esplorare la tavola periodica provando molti materiali diversi e molte combinazioni. Alcuni dei materiali che abbiamo provato non funzionavano, ma questo ci ha dato informazioni su quali proprietà potrebbero essere importanti".

Alla fine, gli scienziati hanno scoperto che un materiale di rivestimento costituito da una combinazione di ossido di titanio e ossido di germanio dissipava la minima energia (l'equivalente della riduzione delle vibrazioni termiche).

"Abbiamo adattato il processo di fabbricazione per soddisfare i severi requisiti in termini di qualità ottica e riduzione del rumore termico dei rivestimenti degli specchi, "dice Carmen Menoni, professore alla Colorado State University e membro della LIGO Scientific Collaboration. Menoni e i suoi colleghi della Colorado State hanno usato un metodo chiamato sputtering del fascio ionico per rivestire gli specchi. In questo processo, atomi di titanio e germanio vengono staccati da una fonte, combinato con ossigeno, e poi depositato sul vetro per creare sottili strati di atomi.

Il nuovo rivestimento può essere utilizzato per la quinta corsa osservativa di LIGO, che inizierà a metà del decennio come parte del programma Advanced LIGO Plus. Nel frattempo, La quarta sessione osservativa di LIGO, l'ultimo della campagna Advanced LIGO, dovrebbe iniziare nell'estate del 2022.

"Questo è un punto di svolta per Advanced LIGO Plus, ", afferma Reitze. "E questo è un ottimo esempio di come LIGO dipenda in larga misura dall'ottica all'avanguardia e dalla ricerca e sviluppo nella scienza dei materiali. Questo è il più grande progresso nello sviluppo di rivestimenti ottici di precisione per LIGO negli ultimi 20 anni".