Mở rộng phạm vi tiếp cận của chúng ta với vũ trụ với lớp phủ gương mới

Mở rộng phạm vi tiếp cận của LIGO với vũ trụ

Vật liệu phủ LIGO cần thử nghiệm được lắng đọng trên các đĩa thủy tinh mỏng, nhỏ hơn nhiều so với các tấm gương LIGO. Màu hơi hồng trong bức ảnh là do lớp oxit kim loại mỏng lắng đọng trên bề mặt. Tín dụng: Caltech

Kể từ khi phát hiện đột phá của Đài quan sát sóng hấp dẫn của Giao thoa kế Laser (LIGO), vào năm 2015, sóng hấp dẫn được tạo ra bởi một cặp lỗ đen va chạm, đài quan sát này cùng với cơ sở đối tác ở châu Âu là Virgo, đã phát hiện hàng chục khối vũ trụ tương tự. gửi những gợn sóng qua không gian và thời gian.

Trong tương lai, khi ngày càng có nhiều nâng cấp đối với các đài quan sát LIGO do Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ — một ở Hanford, Washington và một ở Livingston, Louisiana — các cơ sở này dự kiến ​​sẽ phát hiện số lượng ngày càng lớn các sự kiện vũ trụ cực đoan này. Những quan sát này sẽ giúp giải đáp những bí ẩn cơ bản về vũ trụ của chúng ta, chẳng hạn như cách các lỗ đen hình thành và cách các thành phần của vũ trụ của chúng ta được tạo ra.

Một yếu tố quan trọng trong việc tăng độ nhạy của các đài quan sát liên quan đến các lớp phủ trên gương thủy tinh nằm ở trung tâm của các thiết bị. Mỗi chiếc gương nặng 40 kg (88 pound) (có 4 chiếc trong mỗi máy dò ở hai đài quan sát LIGO) được phủ một lớp vật liệu phản chiếu về cơ bản biến kính thành gương. Các gương phản xạ chùm tia laze nhạy cảm với sóng hấp dẫn đi qua.

Nói chung, gương phản chiếu càng nhiều thì thiết bị càng nhạy, nhưng có một vấn đề: Các lớp phủ làm cho gương phản chiếu cũng có thể dẫn đến tiếng ồn xung quanh trong thiết bị — tiếng ồn che đi các tín hiệu sóng hấp dẫn.

Giờ đây, một nghiên cứu mới của nhóm LIGO đã mô tả một loại lớp phủ gương mới được làm từ oxit titan và oxit germani, và phác thảo cách nó có thể giảm nhiễu nền trong gương của LIGO lên hệ số hai, do đó tăng thể tích không gian mà LIGO có thể thăm dò theo hệ số tám.

Gabriele Vajente, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao của LIGO tại Caltech và là tác giả chính của một bài báo về công trình xuất hiện trên tạp chí cho biết: “Chúng tôi muốn tìm một tài liệu ở rìa của những gì có thể ngày nay. Thư đánh giá vật lý. “Khả năng của chúng tôi trong việc nghiên cứu quy mô lớn về mặt thiên văn của vũ trụ bị giới hạn bởi những gì xảy ra trong không gian vi mô rất nhỏ này.”

David Reitze, giám đốc điều hành của Phòng thí nghiệm LIGO tại Caltech cho biết: “Với những lớp phủ mới này, chúng tôi kỳ vọng có thể tăng tỷ lệ phát hiện sóng hấp dẫn từ một lần một tuần lên một lần một ngày hoặc hơn”.

Nghiên cứu, có thể có các ứng dụng trong tương lai trong lĩnh vực viễn thông và chất bán dẫn, là sự hợp tác giữa Caltech; Đại học Bang Colorado; Đại học Montreal; và Đại học Stanford, nơi có synctron tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC đã được sử dụng để xác định đặc tính của các lớp phủ.

LIGO phát hiện các gợn sóng trong không-thời gian bằng cách sử dụng máy dò gọi là giao thoa kế. Trong thiết lập này, một chùm tia laze mạnh được chia làm hai: Mỗi chùm tia truyền xuống một cánh tay của vỏ chân không lớn hình chữ L về phía gương cách đó 4 km. Các tấm gương phản chiếu chùm tia laze trở lại nguồn mà chúng xuất phát. Khi sóng hấp dẫn đi qua, chúng sẽ kéo căng và bóp nghẹt không gian bởi một lượng gần như không thể nhận thấy và chưa thể phát hiện được (nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng của một proton). Sự nhiễu loạn thay đổi thời điểm xuất hiện của hai chùm tia laze trở lại nguồn.

Bản thân bất kỳ sự lắc lư nào trong gương – ngay cả những dao động nhiệt cực nhỏ của các nguyên tử trong lớp phủ của gương – đều có thể ảnh hưởng đến thời gian đến của chùm tia laze và khó cô lập các tín hiệu sóng hấp dẫn.

Vajente nói: “Mỗi khi ánh sáng đi qua giữa hai vật liệu khác nhau, một phần nhỏ của ánh sáng đó sẽ bị phản xạ. “Đây là điều tương tự xảy ra trong cửa sổ của bạn: Bạn có thể nhìn thấy hình ảnh phản chiếu mờ nhạt của mình trong kính. Bằng cách thêm nhiều lớp vật liệu khác nhau, chúng tôi có thể củng cố từng hình phản chiếu và làm cho gương của chúng tôi phản chiếu tới 99,999%.”

Vajente nói: “Điều quan trọng của công việc này là chúng tôi đã phát triển một phương pháp mới để kiểm tra các vật liệu tốt hơn. “Giờ đây, chúng tôi có thể kiểm tra các đặc tính của một vật liệu mới trong khoảng tám giờ, hoàn toàn tự động, trước đó phải mất gần một tuần. Điều này cho phép chúng tôi khám phá bảng tuần hoàn bằng cách thử nhiều vật liệu khác nhau và rất nhiều sự kết hợp. Một số các vật liệu chúng tôi đã thử không hoạt động, nhưng điều này giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về những thuộc tính nào có thể quan trọng. “

Cuối cùng, các nhà khoa học phát hiện ra rằng một vật liệu phủ được làm từ sự kết hợp giữa oxit titan và oxit germani tiêu hao năng lượng ít nhất (tương đương với việc giảm dao động nhiệt).

Carmen Menoni, giáo sư tại Đại học Bang Colorado và là thành viên của LIGO Scientific Collaboration, cho biết: “Chúng tôi đã điều chỉnh quy trình chế tạo để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng quang học và giảm nhiễu nhiệt của lớp phủ gương. Menoni và các đồng nghiệp của cô tại bang Colorado đã sử dụng một phương pháp được gọi là phún xạ chùm ion để phủ lên gương. Trong quá trình này, các nguyên tử titan và germani bị tách khỏi nguồn, kết hợp với oxy, sau đó lắng đọng trên kính để tạo ra các lớp nguyên tử mỏng.

Lớp phủ mới có thể được sử dụng cho lần quan sát thứ năm của LIGO, sẽ bắt đầu vào giữa thập kỷ như một phần của chương trình LIGO Plus Nâng cao. Trong khi đó, đợt quan sát thứ tư của LIGO, đợt cuối cùng trong chiến dịch Advanced LIGO, dự kiến ​​sẽ bắt đầu vào mùa hè năm 2022.

Reitze nói: “Đây là một công cụ thay đổi trò chơi cho Advanced LIGO Plus. “Và đây là một ví dụ tuyệt vời về cách LIGO phụ thuộc rất nhiều vào nghiên cứu và phát triển khoa học vật liệu và quang học tiên tiến. Đây là bước tiến lớn nhất trong quá trình phát triển lớp phủ quang học chính xác của LIGO trong 20 năm qua.”


Lớp phủ gương LIGO được nâng cấp


Thêm thông tin:
Gabriele Vajente và cộng sự, TiO2 tổn thất cơ học thấp: Lớp phủ GeO2 để giảm nhiễu nhiệt trong giao thoa kế sóng hấp dẫn, Thư đánh giá vật lý (Năm 2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.071101

Được cung cấp bởi Viện Công nghệ California

Trích dẫn: Mở rộng phạm vi tiếp cận của chúng ta vào vũ trụ với lớp phủ gương mới (2021, ngày 29 tháng 9) được truy xuất ngày 29 tháng 9 năm 2021 từ https://phys.org/news/2021-09-cosmos-mirror-coatings.html

Tai liệu nay la chủ thể để co quyên tac giả. Ngoài bất kỳ giao dịch công bằng nào cho mục đích học tập hoặc nghiên cứu tư nhân, không có phần nào được sao chép mà không có sự cho phép bằng văn bản. Nội dung được cung cấp chỉ phục vụ cho mục đích thông tin.

Bạn cũng có thể thích

Menu