We hebben zojuist het aantal zwaartekrachtgolven dat we kunnen vinden verdubbeld

Zwaartekrachtgolven die duizenden tot miljarden kilometers omspannen, kunnen in onze detectoren worden verduisterd door de kleinste kwantumfluctuaties die de ruimte-tijd doordringen. Maar nu hebben onderzoekers van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) een manier gevonden om deze kwantumruis te verslaan. En als gevolg daarvan detecteren ze bijna twee keer zoveel kosmische gebeurtenissen als voorheen.

‘We realiseerden ons al lang geleden dat kwantumruis ons zal beperken. Het is niet alleen maar chique [quantum] Wat moet worden getoond is iets dat daadwerkelijk de detector zelf beïnvloedt”, zegt Wenxuan Jia van het Massachusetts Institute of Technology.

LIGO detecteert zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd die worden gecreëerd door dramatische kosmische gebeurtenissen zoals botsingen tussen zwarte gaten. Om dit te doen, vuurt het een laserstraal af langs elk van zijn twee 4 kilometer lange armen, die loodrecht op elkaar staan. Een passerende zwaartekrachtgolf verkleint en breidt het deel van de ruimtetijd waarin deze armen zich bevinden uit, waardoor een klein verschil ontstaat tussen de afstanden die de twee bundels afleggen.

Maar dat verschil is zo klein dat het moeilijk te zeggen is wanneer het wordt veroorzaakt door zwaartekrachtgolven en wanneer het te wijten is aan een vrijwel onmerkbaar flikkeren van kwantumvelden die de hele ruimte doordringen, inclusief het laserlicht zelf. De onderzoekers ontdekten dat het veranderen van de kwantumeigenschappen van licht zou kunnen helpen het knetteren van kwantumvelden te onderdrukken en een duidelijker zwaartekrachtgolfsignaal te verkrijgen.

Ze voegden een reeks apparaten aan de detector toe, waaronder een speciaal kristal en verschillende lenzen en spiegels, die allemaal samenwerken om LIGO’s licht in een kwantumtoestand te ‘persen’ waarin correlaties tussen lichtdeeltjes het flikkeren verminderen.

LIGO voltooide zijn eerste run met geperst licht in 2020, maar de methode werkte alleen voor zwaartekrachtgolven met relatief hoge frequenties; golven met lagere frequenties produceerden feitelijk meer luidruchtige signalen dan voorheen. Jia en zijn collega’s hebben het knijpproces aangepast zodat het even goed werkt op zowel hoge als lage frequenties, voorafgaand aan LIGO’s run in 2023. Deze verandering had een verrassend effect: het aantal zwaartekrachtsgolven dat het detecteerde verdubbelde bijna, waardoor de machine effectief het grootste deel van de zwaartekracht kon ontdekken. ons universum.

“Het verleggen van de grenzen van kwantummetingen heeft de grenzen van ruimte-tijdmetingen verlegd, wat heel mooi is”, zegt Chad Hanna van de Pennsylvania State University. Hij zegt dat deze geavanceerde precisie LIGO in staat zal stellen om samensmeltingen van zwarte gaten te zien “helemaal tot aan de vorming van de eerste sterren”.

Bruce Allen van het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica in Duitsland zegt dat er verschillende nieuwe soorten zwaartekrachtgolven zijn die natuurkundigen graag zouden willen zien met LIGO’s hervonden precisie. Daartoe behoren ook de sterren die continu hobbelige neutronensterren uitzenden terwijl ze ronddraaien, in tegenstelling tot de sterren die vrijkomen wanneer ze ergens tegenaan botsen, wat de bron is van de meeste zwaartekrachtsgolven die tot nu toe zijn gedetecteerd.

De upgrade opent ook de deur naar geheel nieuwe ontdekkingen, omdat het zou kunnen helpen de achtergrond te onderzoeken van de zwaartekrachtgolf die de ruimte-tijd doordringt. “Elke keer verhoog je de gevoeligheid [of your detectors]je vergroot je kansen om het onverwachte tegen te komen”, zegt Allen.