LIGO ép ánh sáng, để vượt qua giới hạn lượng tử đo gợn sóng không thời gian

Các cơ sở sóng hấp dẫn đo lường sự biến dạng trong kết cấu của không thời gian xuống tới 10 phần triệu tỷ chiều rộng của một sợi tóc – đủ nhỏ để nghe thấy sự giao thoa từ các hạt xuất hiện và tồn tại. Giờ đây, cơ sở LIGO đã vượt quá giới hạn lượng tử này bằng cách “ép” ánh sáng laser, điều này sẽ tăng khả năng phát hiện sóng hấp dẫn lên khoảng 60%.

Khi các vật thể cực lớn như lỗ đen va chạm nhau, năng lượng được giải phóng đủ mạnh để tạo ra những gợn sóng xuyên qua thực tế. Những sóng hấp dẫn này lần đầu tiên được Albert Einstein dự đoán cách đây hơn một thế kỷ, nhưng phải đến năm 2015, các nhà khoa học mới lần đầu tiên phát hiện ra chúng một cách trực tiếp .

Cơ sở chịu trách nhiệm cho phát hiện quan trọng này là Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO), hoạt động bằng cách chiếu tia laser xuống hai đường hầm dài, bật chúng ra khỏi gương và đo xem ánh sáng quay trở lại như thế nào. Bằng cách kiểm soát các hiệu ứng khác và quan sát rất cẩn thận, máy dò có thể cảm nhận được khi chùm tia laser bị biến dạng dù chỉ một lượng rất nhỏ – nhỏ hơn chiều rộng của một proton – điều này cho thấy sóng hấp dẫn đã bị cuốn trôi. Trong những năm kể từ đó, hàng chục tín hiệu sóng hấp dẫn đã được LIGO và các máy dò khác thu được.

Nhưng độ nhạy của những cơ sở này đều có giới hạn, được quy định bởi chính các định luật vật lý lượng tử. Trong khi chân không – bao gồm cả chân không trong các ống chứa tia laser của LIGO – thường được coi là không gian hoàn toàn trống rỗng, thì điều đó là không thể đạt được. Biến động lượng tử có nghĩa là các hạt liên tục xuất hiện, tồn tại trong một phần nhỏ của giây rồi lại biến mất. Tiếng ồn lượng tử nổ lách tách này cản trở các quan sát của LIGO và đặt ra giới hạn cứng cho chúng.

Thiết bị cung cấp nguồn ánh sáng nén tại LIGO, được phơi sáng trong thời gian tiến hành bảo trì

Giờ đây, các nhà khoa học LIGO đã tìm ra và trình diễn một cách để vượt qua bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là ép lượng tử. Điều này khai thác nguyên tắc bất định, trong đó nói rằng bạn càng biết chính xác một đặc điểm của một đối tượng thì bạn càng có thể biết những đặc điểm khác của đối tượng đó kém chính xác hơn. Ví dụ phổ biến nhất là một hạt nảy lên trong hộp – nếu bạn có thể đo chính xác vị trí của nó tại một thời điểm nhất định, bạn sẽ biết ít hơn về động lượng của nó và ngược lại.

Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã vận dụng nguyên lý bất định để khai thác nhiều hơn các tia laser của LIGO bằng cách điều chỉnh hai đặc tính của ánh sáng – pha và biên độ. Các tinh thể chuyên dụng được thêm vào các ống trong quá trình nâng cấp năm 2019 “ép” pha của ánh sáng để các photon đến cảm biến theo các mốc thời gian dễ dự đoán hơn. Nhưng tất nhiên, điều này làm cho biên độ kém chắc chắn hơn, có nghĩa là tia laser làm cho các gương rung lên và che đi bất kỳ sóng hấp dẫn tần số thấp nào mà nó có thể phát hiện được.

Để giải quyết vấn đề này, một thiết bị mới đã được lắp đặt trên LIGO được gọi là khoang nén phụ thuộc tần số. Đúng như tên gọi, nó hoạt động bằng cách nén các đặc tính khác nhau của ánh sáng cho các tần số khác nhau để mang lại hiệu quả tốt nhất cho cả hai thế giới. Để phát hiện sóng hấp dẫn chính xác nhất, các nhà khoa học cần chắc chắn hơn về biên độ của tần số thấp và pha của tần số cao, và hệ thống hiện cho phép điều này.

Rana Adhikari, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Trước đây, chúng tôi phải chọn nơi chúng tôi muốn LIGO chính xác hơn. “Bây giờ chúng ta có thể ăn chiếc bánh của mình và có nó. Từ lâu, chúng ta đã biết cách viết ra các phương trình để thực hiện được phương trình này, nhưng cho đến nay chúng ta vẫn chưa rõ liệu chúng ta có thể thực sự làm được nó hay không. Nó giống như khoa học viễn tưởng vậy.”

Bằng cách vượt qua giới hạn lượng tử này, đội nghiên cứu cho biết độ chính xác được cải thiện sẽ cho phép LIGO phát hiện nhiều sự kiện sóng hấp dẫn hơn khoảng 60% so với các lần chạy trước. Đài quan sát đối tác của LIGO , có trụ sở tại Ý, cũng dự kiến ​​sẽ bắt đầu sử dụng công nghệ nén phụ thuộc tần số trước cuối năm tới.

Nghiên cứu này sắp được công bố Physical Review X. Nhóm mô tả công việc trong video dưới đây.