Các cơ sở đo sóng hấp dẫn đo đạc sự biến dạng trong cấu trúc không gian-thời gian xuống đến 10 nghìn tỷ phần của độ rộng của một sợi tóc – nhỏ đến mức có thể nghe thấy sự can thiệp từ các hạt xuất hiện và biến mất. Bây giờ, cơ sở LIGO đã vượt qua giới hạn lượng tử này bằng cách “nén” ánh sáng laser, điều này sẽ tăng cường khả năng phát hiện sóng hấp dẫn khoảng 60%.
Khi các đối tượng vô cùng khổng lồ như lỗ đen va chạm, năng lượng phát ra đủ mạnh để tạo sóng chấn đi qua thực tế chính. Những sóng hấp dẫn này đã được dự đoán lần đầu tiên bởi Albert Einstein hơn một thế kỷ trước, nhưng không cho đến năm 2015 các nhà khoa học mới phát hiện chúng trực tiếp lần đầu tiên.
Cơ sở chịu trách nhiệm cho sự phát hiện quan trọng này là Trạm quan sát Sóng hấp dẫn Bằng laser (LIGO), hoạt động bằng cách phát tia laser xuống hai đường hầm dài, phản xạ chúng qua gương và đo lường cách ánh sáng trở lại. Bằng cách kiểm soát các ảnh hưởng khác và quan sát rất cẩn thận, máy đo có thể cảm nhận khi tia laser bị biến dạng chỉ một lượng rất nhỏ – ít hơn chiều rộng của một proton – điều này chỉ ra rằng sóng hấp dẫn đã trôi qua. Kể từ đó, hàng chục tín hiệu sóng hấp dẫn đã được LIGO và các bộ cảm biến khác thu thập. Nhưng độ nhạy của những cơ sở này có một giới hạn, do chính các quy luật của vật lý lượng tử. Trong khi một chân không – bao gồm cả những chân không trong ống chứa laser của LIGO – thường được coi là hoàn toàn trống rỗng, thì điều này là điều không thể đạt được. Biến động lượng tử đồng nghĩa với việc các hạt liên tục xuất hiện, tồn tại trong một phần nhỏ của một phần nhỏ của một giây rồi biến mất lại. Sự ồn ào lượng tử nhẹ này làm giao thoa với quan sát của LIGO và đặt ra một giới hạn cứng.
Bây giờ, các nhà khoa học LIGO đã tìm ra và thử nghiệm một cách để vượt qua, sử dụng một kỹ thuật gọi là nén lượng tử. Điều này tận dụng nguyên lý không chắc chắn, nguyên lý mà nói rằng bạn càng chính xác biết một đặc điểm của một đối tượng, bạn càng không chính xác biết các đặc điểm khác. Ví dụ phổ biến nhất là một hạt dao động xung quanh trong một 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 điều chỉnh nguyên lý không chắc chắn để thu được nhiều hơn từ laser của LIGO bằng cách điều chỉnh hai đặc tính của ánh sáng – pha và biên độ. Các tinh thể chuyên biệt được thêm vào trong các ống trong quá trình nâng cấp năm 2019 “nén” pha của ánh sáng để các photon đến các cảm biến theo các kế hoạch dự đoán hơn. Nhưng tất nhiên, điều này làm cho biên độ ít chắc chắn hơn, điều này có nghĩa là laser gây rung gương và che giấu bất kỳ sóng hấp dẫn có tần số thấp nào nó có thể phát hiện được.
Để vượt qua điều này, một công cụ mới đã được lắp đặt trên LIGO được gọi là một ổ cắm nén phụ thuộc tần số. 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 lợi ích tốt nhất cho cả hai thế giới. Đối với việc phát hiện sóng hấp dẫn chính xác nhất, các nhà khoa học cần có thêm chắc chắn về biên độ của tần số thấp và về pha của tần số cao, và hệ thống hiện cho phép điều này.
“Trước đây, chúng ta phải chọn nơi chúng ta muốn LIGO chính xác hơn,” Rana Adhikari, một tác giả của nghiên cứu nói. “Bây giờ chúng ta có thể ăn cái bánh của mình và vẫn giữ nó. Chúng ta đã biết được một thời gian rất dài cách viết các phương trình để làm cho điều này hoạt động, nhưng cho đến bây giờ nó vẫn không rõ liệu chúng ta có thể thực sự làm cho nó hoạt động hay không. Nó giống như khoa học viễn tưởng.”
Bằng cách vượt qua giới hạn lượng tử này, nhóm nghiên cứu nói rằng độ chính xác cải thiện sẽ cho phép LIGO phát hiện khoảng 60% sự kiện sóng hấp dẫn nhiều hơn so với các chuỗi chạy trước đây. Trạm quan sát đối tác của LIGO là Virgo, nằm tại Ý, cũng dự kiến sẽ bắt đầu sử dụng