Это прорыв! Телескоп LIGO преодолел квантовый предел

Гравитационно-волновые установки измеряют невероятно маленькие искажения в пространстве-времени — до 10 квадриллионных долей ширины волоса. Это настолько малые значения, что позволяют заметить даже помехи от появляющихся и исчезающих частиц. Теперь установка LIGO преодолела этот квантовый предел, используя метод «сжатия» лазерного света, сообщает Phys.org.

При столкновении очень массивных объектов, таких как черные дыры, высвобождается огромная энергия, которая способна вызвать волну в самой структуре пространства-времени. Эти волны, называемые гравитационными, были предсказаны Альбертом Эйнштейном более века назад, но только в 2015 году ученым удалось впервые обнаружить их напрямую.

Открытие было сделано благодаря Лазерно-Интерферометрической Гравитационно-Волновой Обсерватории (LIGO). LIGO работает, направляя лазеры по двум длинным туннелям, отражая их от зеркал и измеряя, как свет возвращается. Детектор способен заметить даже самые малые искажения лазерного луча (меньше ширины протона), что свидетельствует о наличии гравитационных волн. За годы работы LIGO и других детекторов было обнаружено множество сигналов гравитационных волн.

Но чувствительность этих установок имеет предел, который диктуется законами квантовой физики. Хотя вакуум — в том числе и в трубках, содержащих лазеры LIGO — обычно считается совершенно пустым пространством, достичь такого на практике невозможно. Квантовые флуктуации означают, что частицы постоянно возникают, живут доли секунды, а затем снова исчезают. Это слабое «потрескивание» квантового шума мешает наблюдениям LIGO и накладывает на них жесткие ограничения.

Ученые нашли способ преодолеть это ограничение, используя технику, называемую квантовым сжатием. Этот метод основан на принципе неопределенности, согласно которому, чем точнее мы знаем одну характеристику объекта, тем менее точно мы можем узнать другую характеристику. Хорошим примером является частица, прыгающая в ящике. Если мы точно знаем ее положение в данный момент времени, то мы будем менее информированы о ее импульсе, и наоборот.

Исследователи использовали принцип неопределенности для улучшения работы лазеров. Они настроили два свойства света — фазу и амплитуду. С помощью специальных кристаллов, добавленных в трубки системы, они «сжали» фазу света, чтобы фотоны достигали датчиков в более предсказуемые моменты времени. Но такой подход создавал проблему, потому что точность измерения одного параметра ухудшала точность измерения другого.

Чтобы обойти эту проблему, на LIGO был установлен новый инструмент — частотно-зависимый сжимающий резонатор. Он позволяет сжимать свет разных частот в разном соотношении, чтобы получить оптимальное сочетание фазы и амплитуды для более точного обнаружения гравитационных волн. Теперь ученым удается получить более точные результаты, что помогает обнаруживать гравитационные волны с большей точностью.

После преодоления этого квантового предела, повышенная точность позволит LIGO обнаруживать на 60% больше гравитационных волн. Ожидается, что партнерская обсерватория Virgo, расположенная в Италии, также начнет использовать технологию частотно-зависимого сжатия до конца следующего года.

В этом году ученые с помощью LIGO обнаружили новый источник гравитационных волн. Им стал «кокон» различных частиц, образующийся вокруг умирающей массивной звезды.