Nowy detektor fal grawitacyjnych opracowany w Wielkiej Brytanii pozwoli badać zjawiska w paśmie miliherców – dotąd poza zasięgiem współczesnych obserwatoriów.
Naukowcy opracowali nową koncepcję detektora fal grawitacyjnych, która wykorzystuje technologie wnęk optycznych oraz zegarów atomowych do obserwacji w dotąd niedostępnym zakresie częstotliwości – w paśmie miliherców. Otwiera to możliwość badania zjawisk astrofizycznych i kosmologicznych, których nie można zarejestrować przy użyciu obecnych instrumentów.
Fale grawitacyjne, czyli zmarszczki w czasoprzestrzeni przewidziane sto lat temu przez Alberta Einsteina, obserwowane są głównie w dwóch zakresach częstotliwości: w wysokich – przez interferometry naziemne, takie jak LIGO i Virgo, oraz w ultraniskich – za pomocą pomiarów czasu pulsarów. Zakres pośredni, obejmujący częstotliwości rzędu miliherców, pozostawał dotąd praktycznie niebadany.
Zespół badaczy z Uniwersytetu w Birmingham i Uniwersytetu w Sussex zaproponował nowy typ detektora, zdolny do pracy właśnie w tym obszarze. Urządzenie wykorzystuje zaawansowaną technologię wnęk optycznych oraz zegarów atomowych, umożliwiając wykrywanie fal grawitacyjnych w paśmie od około 10⁻⁵ do 1 herca.
W artykule opublikowanym w Classical and Quantum Gravity naukowcy opisują, jak detektor wykorzystuje rezonatory optyczne do pomiaru zmian fazy światła laserowego powodowanych przez przechodzące fale grawitacyjne. W przeciwieństwie do klasycznych interferometrów, nowa konstrukcja jest kompaktowa, znacznie mniejsza i odporna na zakłócenia sejsmiczne czy tzw. hałas newtonowski.
Dr Vera Guarrera z Uniwersytetu w Birmingham wytłumaczyła: Wykorzystując technologie opracowane na potrzeby optycznych zegarów atomowych, możemy rozszerzyć możliwości detekcji fal grawitacyjnych o zupełnie nowy zakres częstotliwości, przy użyciu instrumentów mieszczących się na stole laboratoryjnym. Otwiera to perspektywę stworzenia globalnej sieci takich detektorów, zdolnych do poszukiwania sygnałów, które pozostawałyby niewidoczne przez co najmniej kolejną dekadę.
Zakres częstotliwości milihercowych – tzw. pasmo środkowe – może zawierać sygnały pochodzące z licznych źródeł: układów podwójnych białych karłów, zderzeń czarnych dziur czy procesów zachodzących we wczesnym Wszechświecie. Tym samym detektory te mogłyby stanowić cenne uzupełnienie dla przyszłych misji kosmicznych, takich jak planowana na lata 30. XXI wieku misja LISA.
Profesor Xavier Calmet z Uniwersytetu w Sussex dodał: Nowy detektor pozwoli testować modele układów podwójnych w Drodze Mlecznej, badać procesy łączenia się masywnych czarnych dziur oraz poszukiwać śladów losowych źródeł z początków Wszechświata. Dzięki tej technologii możemy rozpocząć takie obserwacje z Ziemi, torując drogę dla przyszłych obserwatoriów kosmicznych.
Zaproponowane urządzenia mogą stanowić ekonomiczny i szybki sposób na rozpoczęcie badań w zakresie milihercowym jeszcze przed startem LISA. W przyszłości można by je zintegrować z sieciami zegarów atomowych, co dodatkowo zwiększyłoby czułość i rozszerzyło zakres detekcji w kierunku niższych częstotliwości.
Każdy z proponowanych detektorów składa się z dwóch ortogonalnych, ultrastabilnych wnęk optycznych i atomowego wzorca częstotliwości. Takie rozwiązanie umożliwia wielokanałową rejestrację fal grawitacyjnych, pozwalając jednocześnie określić ich polaryzację oraz kierunek pochodzenia.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- New approach to gravitational wave detection opens the Milli-Hz Frontier
- Detecting milli-Hz gravitational waves with optical resonators
Źródło: Uniwersytet w Birmingham
Na ilustracji: Łącząca się para czarnych dziur generująca fale grawitacyjne. Źródło: Uniwersytet w Birmingham
