Il primo rilevatore di onde gravitazionali della Terra ha appena ricevuto un importante aggiornamento che migliorerà notevolmente la sua capacità di rilevare increspature nel tessuto dello spazio e del tempo, increspature causate da collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni, e talvolta tra entrambi.
“Ora possiamo raggiungere un universo più profondo e ci si aspetta che rileveremo il 60% in più di fusioni rispetto a prima”, ha detto a Space.com Wenxuan Jia, ricercatore di LIGO. “LIGO rileverà sicuramente eventi distanti di fusione binaria. Con un basso rumore e un elevato rapporto segnale-rumore, possiamo limitare i parametri degli oggetti fusi insieme miliardi di anni fa.”
“L’aggiornamento aumenta anche le nostre possibilità di rilevare l’ammasso di quasar buchi neri nell’universo. “Quest’ultimo aggiornamento sperimentale andrà a vantaggio della nostra rilevazione di segnali astrofisici in quasi tutti i modi”.
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LIGO è diventato famoso in tutto il mondo nel settembre 2015, quando ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali generate dalla fusione dei buchi neri. Queste increspature hanno viaggiato per circa 1,4 miliardi di anni, schiacciando e comprimendo lo spaziotempo mentre si facevano strada. Universo .
Ma da allora, LIGO e il suo partner, il rilevatore di onde gravitazionali Virgo, hanno rilevato segnali provenienti dalla fusione di coppie di buchi neri, dalla collisione di stelle di neutroni e dalle fusioni ibride tra i due.
Tuttavia, i ricercatori di LIGO sono particolarmente entusiasti del nuovo aggiornamento, perché spinge lo strumento oltre il cosiddetto “limite quantico” – il primo per un rilevatore di onde gravitazionali.
Cos’è un “limite quantitativo”?
LIGO è progettato per misurare il cambiamento molto piccolo che può verificarsi tra i raggi laser all’interno di due bracci del rilevatore. Jia ha spiegato che il cambiamento avviene quando le onde gravitazionali si increspano su quei bracci.
In sostanza, lo strumento produce un unico laser e lo divide in due fasci che viaggiano separatamente attraverso una coppia di bracci lunghi 4 chilometri. I due raggi entrano quindi in fase mentre attraversano i bracci, il che significa che si allineano perfettamente anche se si trovano in punti diversi. Quindi, quando i raggi vengono riflessi attraverso gli specchi integrati nel dispositivo, si combinano nuovamente e i picchi e gli avvallamenti delle lunghezze d’onda si incontrano. Ma ecco che arriva il cambio di lunghezza.
“Un’onda gravitazionale è un disturbo nello spazio-tempo”, ha spiegato Jia. “Mentre si propaga attraverso il rilevatore LIGO, cambierà la differenza di lunghezza tra i due bracci di 4 chilometri di LIGO, come se estendesse un braccio accorciando l’altro.”
Per essere chiari, la lunghezza effettiva delle braccia di LIGO non cambia. Laser interni: questo cambiamento di lunghezza costringe anche i raggi ad allargarsi durante il segmento quando si combinano. In altre parole, la differenza di lunghezza risultante dal passaggio delle onde gravitazionali porta ad una variazione di ampiezza. Ciò fa sì che anche la potenza del laser cambi.
Tuttavia, poiché le onde gravitazionali “si deformano e si allungano” spazio Se lavati su questi laser, la lunghezza dei bracci cambia di una quantità molto piccola, quindi è molto difficile misurarli utilizzando meccanismi standard. Ma l’effetto è comunque evidente grazie al fatto che le variazioni di lunghezza d’onda della luce si riflettono nella fase della luce. Ricordi la parte in cui entrambi i laser sono allineati nella stessa fase? Bene, un piccolo cambiamento nella lunghezza del braccio significa che quando la luce ritorna al rilevatore, non è più in fase: i picchi e gli avvallamenti della lunghezza d’onda si annullano a vicenda in un processo chiamato interferenza distruttiva.
Un diagramma che mostra come funziona il rilevatore di onde gravitazionali LIGO. (Credito immagine: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab)
Ma c’è un altro problema. Le differenze nella lunghezza di questi bracci a volte possono diventare estremamente piccole – trilioni di volte più piccole di un capello umano e situate alle dimensioni che vediamo nei regni subatomici e quantistici.
Più debole è l’onda gravitazionale, minore è la variazione della lunghezza del braccio e minore è l’effetto che ha sul laser. Quando si verifica questo effetto veramente Piccolo, contraddice il principio di Fisica quantistica Si chiama Principio di Indeterminazione di Heisenberg, il quale afferma che esiste un limite alla precisione con cui è possibile misurare una coppia correlata di quantità fisiche chiamate “osservabili”.
In termini pratici, ciò significa che alcune onde gravitazionali rimangono oltre le capacità di LIGO. Ma ora sembra esserci una soluzione alternativa.
“L’incertezza, o il rumore, è minimo quando si desidera misurare la fase di un raggio laser tempo “La luce laser ha due componenti osservabili, ampiezza e frequenza. Misuriamo la fase o la frequenza con LIGO, quindi non ci interessa molto l’ampiezza”, ha detto Jia.
Jia ha aggiunto che il principio di indeterminazione di Heisenberg in realtà consente un compromesso. Il team riduce l’incertezza in una cosa osservabile che desidera, la frequenza, a scapito dell’aumento dell’incertezza in un’altra cosa che non vuole, l’ampiezza.
“Possiamo ridurre l’incertezza della frequenza ‘comprimendo’ la luce. Questa idea intelligente ci consente di superare il limite inferiore di incertezza, o limite quantistico, del rilevatore LIGO”, ha aggiunto Jia.
“Fin da quando ero un giovane studente laureato, avevo sentito parlare di questo tipo di idea, ma per 20 anni non ci ho pensato molto. Sembrava molto ‘fantascienza’, perché a scuola impari che esistono” Il limite di incertezza di Heisenberg è che puoi misurare le cose solo così bene prima di arrivare a quel limite “, ha detto Caltech a Space.com. “Se provi a misurare le cose in modo troppo preciso, le disturbi. Con questo nuovo aggiornamento, siamo in grado di misurare la potenza che vogliamo. “Possiamo mettere tutta la potenza del laser nel sistema.”
Adhikari ha aggiunto che il suo sogno è quello di aggiornare LIGO al punto in cui possa rilevare onde gravitazionali con sensibilità incredibilmente basse e, così facendo, accedere a buchi neri ancora più grandi che potrebbero essere esistiti nell’universo primordiale. Il ricercatore del Caltech ritiene inoltre che LIGO potrebbe essere spinto ancora oltre in termini di sensibilità.
“Dipende tutto dalla qualità dei materiali che usi. Puoi realizzare materiali specchianti davvero puri, e poi non c’è quasi alcun limite alla precisione con cui puoi misurare le cose e spingere la stessa tecnica, basta farlo sempre meglio nel corso degli anni “, ha spiegato Adhikari. “A quel punto, “Quando la sensibilità viene aumentata di un fattore 10, il modo in cui funziona LIGO, sarai in grado di vedere i buchi neri fondersi molto, molto presto nell’universo quando si stavano formando le prime galassie.” .”
Questo risultato non è un grosso problema solo per LIGO e per il rilevamento delle onde gravitazionali; Inoltre dice ai fisici che se si è disposti a concludere un accordo, è possibile superare il limite quantistico senza violare il principio di indeterminazione.
“È un evento molto emozionante per me e per l’intero team LIGO. È stato fatto uno sforzo enorme per raggiungere questo risultato nel corso di molti anni”, ha aggiunto Jia. “È stato surreale vedere l’intero sistema funzionare all’inizio, dopo aver messo insieme tutti i sottosistemi implementati da molti altri team. Il successo della compressione basata sulla frequenza non sarebbe stato possibile senza un team e una collaborazione così grandi.”
La ricerca del team è stata pubblicata a settembre sulla rivista Revisione fisica
