Er wordt gezocht naar het eerste bewijs van zwaartekrachtsgolven die door de kosmos reizen. Mocht een zwaartekrachtgolf door het volume van de ruimte-tijd rond de aarde gaan, in theorie de laserstraal zal een kleine verandering detecteren als de passerende golf de afstand tussen spiegels enigszins verandert. Het is vermeldenswaard dat deze kleine verandering klein zal zijn; zo klein zelfs dat LIGO is ontworpen om een afstandsschommeling van minder dan een duizendste van de breedte van een proton. Dit is indrukwekkend, maar het kan beter. Nu denken wetenschappers dat ze een manier hebben gevonden om de gevoeligheid van LIGO te verhogen; gebruik de vreemde kwantumeigenschappen van het foton om de laserstraal te “persen” zodat een verhoogde gevoeligheid kan worden bereikt…
LIGO is ontworpen door medewerkers van MIT en Caltech om te zoeken naar observationeel bewijs van theoretische zwaartekrachtgolven. Men denkt dat zwaartekrachtgolven zich door het hele universum voortplanten, aangezien enorme objecten de ruimtetijd verstoren. Als bijvoorbeeld twee zwarte gaten botsten en samenvloeiden (of botsten en van elkaar werden weggeblazen), voorspelt de algemene relativiteitstheorie van Einstein dat er een rimpel door het weefsel van de ruimtetijd zal worden gestuurd. Om te bewijzen dat er zwaartekrachtsgolven bestaan, moest er een heel ander type observatorium worden gebouwd, niet om elektromagnetische emissies van de bron waar te nemen, maar om de doorgang van deze verstoringen die door onze planeet reizen, te detecteren. LIGO is een poging om deze golven te meten, en met een gigantische opstellingskost van $ 365 miljoen, staat de faciliteit onder enorme druk om de eerste zwaartekrachtsgolf en de bron ervan te ontdekken (voor meer informatie over LIGO, zie 'Luisteren' naar gravitatiegolven om zwarte gaten op te sporen). Helaas zijn er na enkele jaren van wetenschap geen enkele gevonden. Is dit omdat er geen zwaartekrachtgolven zijn? Of is LIGO gewoon niet gevoelig genoeg?
De eerste vraag wordt snel beantwoord door LIGO-wetenschappers: er is meer tijd nodig om een langere periode aan gegevens te verzamelen (er moet meer 'blootstellingstijd' zijn voordat zwaartekrachtsgolven worden gedetecteerd). Er zijn ook sterke theoretische redenen waarom gravitatiegolven zouden moeten bestaan. De tweede vraag is iets wat wetenschappers uit de VS en Australië hopen te verbeteren; misschien heeft LIGO een verhoogde gevoeligheid nodig.
Om de zwaartekrachtsgolfdetectoren gevoeliger te maken, heeft Nergis Mavalvala, leider van dit nieuwe onderzoek en MIT-fysicus, zich gericht op het zeer kleine om het zeer grote te helpen detecteren. Om te begrijpen wat de onderzoekers hopen te bereiken, is een zeer korte spoedcursus kwantumfuzziness nodig.
Detectoren zoals LIGO zijn afhankelijk van zeer nauwkeurige lasertechnologie om verstoringen in ruimtetijd te meten. Als zwaartekrachtsgolven door het heelal reizen, veroorzaken ze kleine veranderingen in de afstand tussen twee posities in de ruimte (de ruimte wordt door deze golven effectief 'vervormd'). Hoewel LIGO een verstoring van minder dan een duizendste van de breedte van een proton kan detecteren, zou het geweldig zijn als er nog meer gevoeligheid wordt verkregen. Hoewel lasers inherent nauwkeurig en zeer gevoelig zijn, worden laserfotonen nog steeds bepaald door kwantumdynamica. Omdat de laserfotonen interageren met de interferometer, is er een zekere mate van kwantumfuzziness, wat betekent dat het foton geen scherpe pin is, maar enigszins vervaagd door kwantumruis. In een poging om deze ruis te verminderen, hebben Mavalvala en haar team laserfotonen kunnen 'persen'.
Laserfotonen hebben twee grootheden: fase en amplitude. Phase beschrijft de fotonenpositie in tijd en amplitude beschrijft het aantal fotonen in de laserstraal. In deze kwantumwereld, als de laseramplitude wordt verminderd (een deel van de ruis verwijderen); kwantumonzekerheden in de laserfase zullen toenemen (wat ruis toevoegen). Het is deze wisselwerking waarop deze nieuwe knijptechniek is gebaseerd. Wat belangrijk is, is nauwkeurigheid bij het meten van amplitude, niet de fase, bij het proberen een zwaartekrachtsgolf te detecteren met lasers.
We hopen dat deze nieuwe techniek kan worden toegepast op de LIGO-faciliteit van meerdere miljoenen dollars, waardoor de gevoeligheid van LIGO mogelijk met 44% toeneemt.
“De betekenis van dit werk is dat het ons dwong om enkele van de praktische uitdagingen van een geperste staatsinjectie aan te gaan en op te lossen - en dat zijn er veel. We zijn nu veel beter gepositioneerd om knijpen in de detectoren op de kilometerschaal te implementeren en die ongrijpbare zwaartekrachtgolf op te vangen. ' - Nergis Mavalvala.
Bron: Physorg.com
