Hace apenas un año, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser financiado por la National Science Foundation, o LIGO, estaba recogiendo susurros de ondas gravitacionales cada mes más o menos. Ahora, una nueva adición al sistema permite a los instrumentos detectar estosondas en el espacio-tiempo casi todas las semanas.
Desde el comienzo de la tercera operación operativa de LIGO en abril, un nuevo instrumento conocido como exprimidor de vacío cuántico ha ayudado a los científicos a seleccionar docenas de señales de ondas gravitacionales, incluida una que parece haber sido generada por una estrella de neutrones binaria: el explosivofusión de dos estrellas de neutrones.
El exprimidor, como lo llaman los científicos, fue diseñado, construido e integrado con los detectores de LIGO por investigadores del MIT, junto con colaboradores de Caltech y la Universidad Nacional de Australia, que detallan su funcionamiento en un artículo publicado en la revista Cartas de revisión física .
Lo que el instrumento "aprieta" es el ruido cuántico: fluctuaciones infinitesimalmente pequeñas en el vacío del espacio que llegan a los detectores. Las señales que LIGO detecta son tan pequeñas que estas fluctuaciones cuánticas, de lo contrario pueden tener un efecto contaminante, potencialmenteenturbiar o enmascarar por completo las señales entrantes de ondas gravitacionales.
"Donde entra la mecánica cuántica se relaciona con el hecho de que el láser de LIGO está hecho de fotones", explica la autora principal Maggie Tse, estudiante de posgrado en el MIT. "En lugar de un flujo continuo de luz láser, si miras lo suficientemente cerca, en realidadun ruidoso desfile de fotones individuales, cada uno bajo la influencia de las fluctuaciones del vacío. Mientras que un flujo continuo de luz crearía un zumbido constante en el detector, cada uno de los fotones llega al detector con un pequeño "pop".
"Este ruido cuántico es como un crujido de palomitas de maíz en el fondo que se arrastra en nuestro interferómetro, y es muy difícil de medir", agrega Nergis Mavalvala, el profesor de mármol de Astrofísica y jefe asociado del Departamento de Física del MIT.
Con la nueva tecnología de exprimidor, LIGO ha reducido este confuso crujido cuántico, extendiendo el rango de los detectores en un 15 por ciento. Combinado con un aumento en la potencia del láser de LIGO, esto significa que los detectores pueden detectar una onda gravitacional generada por una fuente enel universo a unos 140 megaparsecs, o más de 400 millones de años luz de distancia. Este rango extendido ha permitido a LIGO detectar ondas gravitacionales casi semanalmente.
"Cuando aumenta la tasa de detección, no solo entendemos más sobre las fuentes que conocemos, porque tenemos más para estudiar, sino que nuestro potencial para descubrir cosas desconocidas entra en juego", dice Mavalvala, miembro de la LIGO desde hace mucho tiempoequipo científico "Estamos lanzando una red más amplia"
Los autores principales del nuevo artículo son los estudiantes de posgrado Maggie Tse y Haocun Yu, y Lisa Barsotti, científica investigadora principal del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, junto con otros en la Colaboración Científica LIGO.
límite cuántico
LIGO comprende dos detectores idénticos, uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana. Cada detector consta de dos túneles o brazos de 4 kilómetros de largo, cada uno extendiéndose del otro en forma de "L. "
Para detectar una onda gravitacional, los científicos envían un rayo láser desde la esquina del detector en forma de L, hacia abajo de cada brazo, al final del cual está suspendido un espejo. Cada láser rebota en su espejo respectivo y viaja hacia abajo por cada brazohacia donde comenzó. Si una onda gravitacional pasa a través del detector, debería cambiar una o ambas posiciones de los espejos, lo que a su vez afectaría el tiempo de llegada de cada láser de regreso a su origen. Este tiempo es algo que los científicos pueden mediridentificar una señal de onda gravitacional.
La principal fuente de incertidumbre en las mediciones de LIGO proviene del ruido cuántico en el vacío circundante de un láser. Si bien el vacío generalmente se considera una nada o vacío en el espacio, los físicos lo entienden como un estado en el que las partículas subatómicas en este caso, los fotones se crean y destruyen constantemente, apareciendo y luego desapareciendo tan rápidamente que son extremadamente difíciles de detectar. Tanto el tiempo de llegada fase como el número amplitud de estos fotones son igualmente desconocidos e igualmente inciertos, lo que hace que sea difícilcientíficos para seleccionar señales de ondas gravitacionales del fondo resultante del ruido cuántico.
Y, sin embargo, este crujido cuántico es constante y, a medida que LIGO busca detectar señales más lentas y más débiles, este ruido cuántico se ha convertido en un factor más limitante.
"La medición que estamos haciendo es tan sensible que el vacío cuántico importa", señala Barsotti.
Al apretar el ruido "espeluznante"
El equipo de investigación del MIT comenzó hace más de 15 años a diseñar un dispositivo para reducir la incertidumbre en el ruido cuántico, para revelar señales de ondas gravitacionales más leves y más lejanas que de otro modo estarían enterradas en el ruido cuántico.
La compresión cuántica fue una teoría que se propuso por primera vez en la década de 1980, la idea general es que el ruido de vacío cuántico se puede representar como una esfera de incertidumbre a lo largo de dos ejes principales: fase y amplitud. Si esta esfera se exprimiera, como una bola de tensión, de una manera que constriñe la esfera a lo largo del eje de amplitud, esto reduciría la incertidumbre en el estado de amplitud de un vacío la parte exprimida de la bola de tensión, al tiempo que aumenta la incertidumbre en el estado de fase la bola de tensión se desplaza,porción distendida. Dado que es predominantemente la incertidumbre de fase lo que contribuye al ruido a LIGO, reducirlo podría hacer que el detector sea más sensible a las señales astrofísicas.
Cuando la teoría se propuso por primera vez hace casi 40 años, un puñado de grupos de investigación intentaron construir instrumentos de compresión cuántica en el laboratorio.
"Después de estas primeras manifestaciones, todo quedó en silencio", dice Mavalvala.
"El desafío con la construcción de exprimidores es que el estado de vacío exprimido es muy frágil y delicado", agrega Tse. "Obtener la bola exprimida, en una sola pieza, desde donde se genera hasta donde se mide es sorprendentemente difícil. Cualquier paso en falso, y la pelota puede rebotar de vuelta a su estado no comprimido "
Luego, alrededor de 2002, justo cuando los detectores de LIGO comenzaron a buscar ondas gravitacionales, los investigadores del MIT comenzaron a pensar en la compresión cuántica como una forma de reducir el ruido que podría enmascarar una señal de onda gravitacional increíblemente débil. Desarrollaron un diseño preliminar paraun exprimidor al vacío, que probaron en 2010 en el sitio de Hanford de LIGO. El resultado fue alentador: el instrumento logró aumentar la relación señal / ruido de LIGO, la fuerza de una señal prometedora frente al ruido de fondo.
Desde entonces, el equipo, dirigido por Tse y Barsotti, ha refinado su diseño y ha construido e integrado exprimidores en ambos detectores LIGO. El corazón del exprimidor es un oscilador paramétrico óptico u OPO, un dispositivo con forma de corbatín quesostiene un pequeño cristal dentro de una configuración de espejos. Cuando los investigadores dirigen un rayo láser al cristal, los átomos del cristal facilitan las interacciones entre el láser y el vacío cuántico de una manera que reorganiza sus propiedades de fase versus amplitud, creando un nuevo ""vacío comprimido" que luego continúa por cada brazo del detector como lo haría normalmente. Este vacío comprimido tiene fluctuaciones de fase más pequeñas que un vacío común, lo que permite a los científicos detectar mejor las ondas gravitacionales.
Además de aumentar la capacidad de LIGO para detectar ondas gravitacionales, el nuevo exprimidor cuántico también puede ayudar a los científicos a extraer mejor información sobre las fuentes que producen estas ondas.
"Tenemos este vacío cuántico espeluznante que podemos manipular sin violar realmente las leyes de la naturaleza, y luego podemos hacer una medición mejorada", dice Mavalvala. "Nos dice que a veces podemos hacer un recorrido final por la naturaleza.No siempre, pero a veces "
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation. LIGO fue construido por Caltech y MIT.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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