لایگو از حد کوانتومی فراتر رفت!

لایگو (رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری) وارد یک قلمرو جدید و حساس شده است. این یعنی این آشکارساز ۶۰ درصد توانایی بیشتری دارد و می‌تواند با سرعت بیشتری ادغام ستاره‌های مرده را کشف نماید؛ قبلاً هر هفته حدود یک یا دو تشخیص را انجام می‌داد.

این روش فشرده‌سازی وابسته به فرکانس نام دارد و محدودیت‌های قبلی که مانع از تشخیص لایگو در مقیاس‌های کوانتومی می‌شدند، را دور می‌زند. فیزیکدان “لی مک کولر” از کالتک گفت: «اکنون که از این حد کوانتومی فراتر رفته‌ایم، می‌توانیم مطالعات نجومی بسیار بیشتری انجام دهیم. لایگو از لیزرها و آینه‌های بزرگی برای انجام مشاهدات خود استفاده می‌کند، اما ما در سطحی از حساسیت کار می‌کنیم که دستگاه تحت تأثیر قلمرو کوانتومی قرار می‌گیرد.»

حساسیت لایگو از قبل کاملاً شوکه‌کننده بود. این تداخل‌سنج موج‌هایی در فضا-زمان را تشخیص می‌دهد که از برخورد سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی در فاصله‌ی میلیون‌ها میلیارد تا چندین سال نوری از ما ایجاد می‌شوند. اینها باعث ایجاد امواج گرانشی مانند امواجی در حوض آب می‌شوند. ما نمی‌توانیم آنها را احساس کنیم. اما می‌توان آنها را در انحرافات جزئی در مسیر نور در یک تونل بسیار طولانی تشخیص داد.

این انحرافات فوق‌العاده کوچک هستند و به تریلیون‌ها برابر کوچک‌تر از موی انسان می‌رسند. اما زمانی که وارد مقیاس‌های زیراتمی – قلمرو کوانتومی – شوید، توانایی‌های لایگو کاهش می‌یابد. علت این است که این مقیاس‌ به طرز غیرقابل تصوری کوچک است. در این محدوده ذرات به‌طور تصادفی وارد فضا شده و از آن خارج می‌شوند و صدای خش‌خش پس‌زمینه‌ای از نویز کوانتومی ایجاد می‌کنند که از هر سیگنالی بلندتر است.

فشرده‌سازی وابسته به فرکانس، راهی برای تقویت سیگنال‌هاست، به گونه‌ای که «بلندتر» از نویز کوانتومی باشند. فیزیکدانان می‌گویند که کمی شبیه فشردن یک بادکنک است. وقتی یک سر بادکنک را فشار دهید، سر دیگر آن بزرگ‌تر می‌شود. به همین ترتیب، اگر خاصیتی از نور، مانند دامنه (یا توان) را فشار دهید، سایر ویژگی‌ها مانند فرکانس را می‌توان با دقت بیشتری اندازه‌گیری کرد.

اما، اگرچه ممکن است در یک زمینه دقت کسب کنید، اما در زمینه‌ی دیگر آن را از دست می‌دهید. لایگو از سال ۲۰۱۹ دارای فناوری برای فشرده‌سازی وابسته به فرکانس شده، اما انعطاف‌پذیری خاصی نداشت. ارتقای جدید به این معنی است که فشرده‌سازی انعطاف‌پذیرتر می‌باشد. نور را می‌توان به روش‌های مختلفی فشرده کرد تا فرکانس امواج گرانشی مورد نظر دانشمندان را تقویت کند.

“رعنا آدیکاری” فیزیکدان از کالتک می‌گوید: «قبلاً باید انتخاب می‌کردیم که کجا می‌خواهیم لایگو دقیق‌تر باشد. اکنون مدتی است که می‌دانیم چگونه معادلات را برای این کار بنویسیم، اما تا کنون مشخص نبود که آیا می‌توانیم آن را عملی کنیم. این مانند یک داستان علمی- تخیلی است.»

این فناوری از طریق استفاده از کریستال‌هایی کار می‌کند که فوتون‌های منفرد سرگردان در لوله‌های خلاء ۴ کیلومتری لایگو را به دو فوتون درهم تنیده با انرژی کمتر، تبدیل می‌کنند. این فوتون‌ها با پرتوهای لیزری که به پایین تونل‌ها می‌تابند برهم‌کنش ایجاد می‌کنند تا نور لیزر را به شیوه‌ای مطلوب فشرده نمایند. هنگامی که امواج گرانشی به صدا در می‌آیند، این پرتوهای لیزر به گونه‌ای تکان می‌خورند که می‌توان حرکت را در انتهای دیگر دریافت کرد.

فناوری جدید فشرده‌سازی وابسته به فرکانس با تغییر روش فشرده کردن نور کار می‌کند، طوری که فرکانس‌های بالاتر و پایین‌تر تقویت می‌شوند. این فناوری از زمانی که عملیات رصد فعلیِ لایگو در ماه مه آغاز شد، مشغول به کار بوده و احتمالاً قبل از پایان دوره‌ی رصدی در آشکارساز ویرگو در ایتالیا نصب خواهد شد.

این بدان معناست که ما احتمالاً شاهد تعداد زیادی از برخوردهای سیاهچاله و ستاره‌های نوترونی خواهیم بود که قبلا نمی‌توانستیم مشاهده می‌کنیم. “لیزا بارسوتی” فیزیکدان از MIT، گفت: «ما بالاخره از جهان گرانشی خود استفاده می‌کنیم. در آینده، می‌توانیم حساسیت خود را حتی بیشتر کنیم. می‌خواهم ببینم تا کجا می‌توانیم پیش رویم.» جزئیات بیشتر این پژوهش در Physical Review X منتشر شده است.