Student astrofizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles zaproponował rozwiązanie, które pozwoliłoby na zbudowanie mniejszego i bardziej czułego detektora fal grawitacyjnych. Scott Mackey swoją pracę nad projektem rozpoczął już podczas letniego projektu REU w Centrum Interdyscyplinarnych Eksploracji i Badań Astrofizyki (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) w Uniwersytecie Northwestern z prof. Selimem Shahriarem. Projekt został zaprezentowany jako plakat na 237. Spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Obecnie obserwacje fal grawitacyjnych przeprowadza się używając interferometrów Michelsona. Składają się one z kilkukilometrowych wiązek lasera, które interferują ze sobą, gdy przestrzeń wokół nich rozciąga się lub kurczy podczas przechodzenia fali grawitacyjnej. Właśnie na tej zasadzie zbudowane są słynne interferometry LIGO w Stanach Zjednoczonych, a także włoski Virgo. Ramiona LIGO mają po cztery kilometry długości, a co za tym idzie, zajmuje on bardzo dużo miejsca. Wybudowanie tak precyzyjnego urządzenia jest zatem niezwykle kosztowne, a także utrudnione przez wiele czynników, takie jak krzywizna Ziemi, czy choćby szum kwantowy. 

Schemat działania proponowanego detektora. Detektor wykorzystuje dwa lasery superluminalne (o częstotliwości f1 i f2), które zakłócają wytwarzanie częstotliwości proporcjonalnej do odkształcenia fali grawitacyjnej. Lasery są generowane przez wysyłanie standardowych laserów do wnęk atomowych par rubidu i sprzęganie ich z określonymi przejściami podpoziomu Zeemana w atomach.

Rozwiązaniem tych problemów mógłby być detektor fal grawitacyjnych bazujący na tak zwanym laserze superluminalnym (w wolnym tłumaczeniu: laser superświetlny). Swoją nazwę zawdzięcza on temu, że prędkość wiązki tego lasera jest większa niż nominalna prędkość światła. W rezultacie wykazują one ujemną dyspersję podczas propagacji, a zatem mają bardzo czuły związek między ich częstotliwością a długością wnęki, przez którą przechodzą. Kiedy nadchodząca fala grawitacyjna powoduje rozciąganie lub kurczenie się przestrzeni, możemy wykorzystać tę ultraczułą zależność do wykrycia zmian długości wnęki laserowej na odległościach znacznie mniejszych niż te, które obejmują lasery LIGO i VIRGO. Szacuje się, że detektor o długości zaledwie 10 metrów mógłby osiągnąć taką samą precyzję jak LIGO w nieco większym paśmie częstotliwości. Detektory większe niż 10 metrów zaczęłyby odbierać znacznie mniej szumów kwantowych niż LIGO, co znacznie poprawiłoby precyzję.

Aby pomóc w projektowaniu tego nowatorskiego detektora, Scott przeprowadził symulacje zachowania światła nadświetlnego, aby dokładnie modelować te lasery i określić, które parametry zoptymalizują wykorzystanie laserów, aby móc wykryć wyraźny sygnał fali grawitacyjnej. Wymaga to wielu intensywnych obliczeń na superkomputerze. Używając specjalnego algorytmu opracowanego przez grupę Shahriara, aby zbadać 39 podpoziomów Zeemana w oparach rubidu atomowego, w celu określenia ewolucji w czasie układu kwantowego generującego laser. Wymaga to rozważenia sprzężenia między podpoziomami a dyspersją prędkości atomów. Przeprowadzając te symulacje, jesteśmy bliżej zrozumienia laserów superluminalnych i ostatecznie zbudowania detektora fal grawitacyjnych. Pewnego dnia wiele małych detektorów fal grawitacyjnych tej konstrukcji może zostać umieszczonych na całym świecie i w kosmosie, co da nam możliwość wykonywania znacznie większej liczby obserwacji fal grawitacyjnych.

Źródła:

Autor

Eliza Płotnikowa