Depuis la découverte historique d'ondes gravitationnelles provenant de deux trous noirs entrant en collision à plus d'un milliard d'années-lumière a été faite en 2015, les physiciens font progresser les connaissances sur les limites de la précision des mesures, ce qui contribuera à améliorer la prochaine génération d'outils et de technologies utilisés par les scientifiques des ondes gravitationnelles.

Le professeur agrégé du département de physique et d'astronomie de LSU Thomas Corbitt et son équipe de chercheurs présentent maintenant le premier haut débit, mesure hors résonance du bruit de pression de rayonnement quantique dans la bande audio, à des fréquences pertinentes pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles, comme rapporté aujourd'hui dans la revue scientifique La nature . La recherche a été soutenue par la National Science Foundation, ou NSF, et les résultats suggèrent des méthodes pour améliorer la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles en développant des techniques pour atténuer l'imprécision dans les mesures appelées « action arrière, " augmentant ainsi les chances de détecter les ondes gravitationnelles.

Corbitt et des chercheurs ont développé des dispositifs physiques qui permettent d'observer et d'entendre les effets quantiques à température ambiante. Il est souvent plus facile de mesurer les effets quantiques à des températures très froides, tandis que cette approche les rapproche de l'expérience humaine. Logé dans des modèles miniatures de détecteurs comme LIGO, ou l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, situé à Livingston, La., et Hanford, Lavage., ces appareils sont constitués de faibles pertes, micro-résonateurs monocristallins - chacun un petit miroir de la taille d'une piqûre d'épingle, suspendu à un porte-à-faux. Un faisceau laser est dirigé sur l'un de ces miroirs, et comme le faisceau est réfléchi, la pression de rayonnement fluctuante est suffisante pour plier la structure en porte-à-faux, faisant vibrer le coussin du miroir, qui crée du bruit.

Les interféromètres à ondes gravitationnelles utilisent autant de puissance laser que possible afin de minimiser l'incertitude causée par la mesure de photons discrets et de maximiser le rapport signal sur bruit. Ces faisceaux plus puissants augmentent la précision de la position mais augmentent également l'action du dos, qui est l'incertitude du nombre de photons réfléchis par un miroir qui correspond à une force fluctuante due à la pression de rayonnement sur le miroir, provoquant un mouvement mécanique. D'autres types de bruit, comme le bruit thermique, dominent généralement sur le bruit de pression de rayonnement quantique, mais Corbitt et son équipe, y compris des collaborateurs du MIT et Crystalline Mirror Solutions, les ont triés. Le LIGO avancé et d'autres interféromètres de deuxième et troisième génération seront limités par le bruit de pression de rayonnement quantique à basses fréquences lorsqu'ils fonctionnent à pleine puissance laser. L'article de Corbitt dans La nature offre des indices sur la façon dont les chercheurs peuvent contourner ce problème lors de la mesure des ondes gravitationnelles.

"Compte tenu de l'impératif de détecteurs d'ondes gravitationnelles plus sensibles, il est important d'étudier les effets du bruit de pression de rayonnement quantique dans un système similaire à Advanced LIGO, qui sera limité par le bruit de pression de rayonnement quantique sur une large gamme de fréquences éloignée de la fréquence de résonance mécanique de la suspension de masse d'essai, " a déclaré Corbitt.

L'ancien conseiller universitaire de Corbitt et auteur principal du La nature papier, Jonathan Cripé, diplômé de LSU avec un doctorat. en physique l'année dernière et est maintenant chercheur postdoctoral au National Institute of Standards and Technology :

"Au quotidien à LSU, pendant que je faisais le travail de fond pour concevoir cette expérience et les micro-miroirs et placer toutes les optiques sur la table, Je n'ai pas vraiment pensé à l'impact des résultats futurs, " a déclaré Cripe. "Je me suis concentré sur chaque étape individuelle et j'ai pris les choses un jour à la fois. [Mais] maintenant que nous avons terminé l'expérience, il est vraiment étonnant de prendre du recul et de penser au fait que la mécanique quantique - quelque chose qui semble d'un autre monde et éloigné de l'expérience humaine quotidienne - est le principal moteur du mouvement d'un miroir visible à l'œil humain. Le vide quantique, ou 'néant, ' peut avoir un effet sur quelque chose que vous pouvez voir."

Pedro Marronetti, un physicien et directeur de programme NSF, note qu'il peut être difficile de tester de nouvelles idées pour améliorer les détecteurs d'ondes gravitationnelles, en particulier lors de la réduction du bruit qui ne peut être mesuré que dans un interféromètre à pleine échelle :

« Cette avancée ouvre de nouvelles opportunités pour tester la réduction du bruit, " dit-il. La relative simplicité de l'approche la rend accessible à un large éventail de groupes de recherche, une participation potentiellement croissante de la communauté scientifique au sens large à l'astrophysique des ondes gravitationnelles."