Mere tryk på tyngdebølgedetektorerne

Eksperter fra Niels Bohr Institutet (NBI) ved Københavns Universitet går nu i laboratoriet for at udvikle en helt ny generation udstyr, der yderligere skal forbedre de superfølsomme tyngdebølge-detektorer, som blandt andet registrerer sammenstød af neutronstjerner i rummet.

"Vi er overbevist om, at vi kan få vores udstyr til detektorerne til at virke – og det bør kunne vises i test i løbet af cirka tre år. Kan vi opnå de forbedringer, vi anser for realistiske, vil tyngdebølge-detektorerne med vores udstyr kunne undersøge og foretage målinger i et otte gange større volumen i rummet, end de kan i dag. Og det vil være en meget kraftig udvidelse af undersøgelsesfeltet”, siger NBI-professor Eugene Polzik.

Han er leder af Center for Kvanteoptik (Quantop) ved NBI, og han skal stå i spidsen for udviklingen af det særlige udstyr til tyngdebølge-detektorerne. Arbejdet, der støttes med i alt cirka 10 millioner kr. fra EU, Eureka forskningssamarbejdet og den amerikanske John Templeton Foundation, vil foregå i Eugene Polziks laboratorium på Quantop.

En kollision, der gav genlyd

Nyhedsmedier verden over gik amok, da det i oktober 2017 blev bekræftet, at det var lykkedes et stort internationalt forskerhold at måle et sammenstød mellem to neutronstjerner 140 millioner lysår fra Jorden. Et sammenstød, der resulterede i dannelse af en kilonova.

Forskerholdet, som også inkluderede eksperter fra NBI, kunne fastslå kollisionen ved hjælp af målinger af tyngdebølger fra rummet, der udbreder sig med lysets hastighed. Disse bølger – også kendt som gravitationsbølger - blev registreret af tre tyngdebølge-detektorer: De to amerikanske LIGO-detektorer, som er placeret henholdsvis i Louisiana og i staten Washington på USA's vestkyst, og den europæiske Virgo-detektor, som står i Italien.

”Tyngdebølge-detektorerne er det mest følsomme måleudstyr, mennesket til dato har fremstillet. Alligevel er detektorerne ikke så nøjagtige, som de kunne være – og det er lige præcis det, vi nu prøver at forbedre”, fortæller professor Eugene Polzik.

Sammen med en kollega, Farid Khalili fra LIGO-samarbejdet og fra det russiske Moscow State University, har Eugene Polzik offentliggjort en artikel i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, hvori de to forskere forklarer, hvordan de forestiller sig at forbedre de eksisterende tyngdebølge-detektorers nøjagtighed.

”Og det er ikke bare et teoretisk forslag”, siger Eugene Polzik: ”Vi tror faktisk på, at det her kommer til at fungere efter hensigten. Vores beregninger viser, at vi gerne skulle kunne forbedre tyngdebølge-detektorernes præcisionsmålinger med en faktor 2 - og lykkes det, bliver konsekvensen altså, at det volumen i rummet, udstyret kan undersøge, øges med en faktor 8”.

En lille glascelle

I juli 2017 kunne Eugene Polzik og hans medarbejdere på Quantop publicere en opsigtsvækkende artikel i Nature – og faktisk ligger netop dette arbejde til grund for de bestræbelser på at forbedre tyngdebølge-detektorerne, som nu går i gang.

Artiklen i Nature drejede sig om at ’narre’ Heisenbergs Ubestemthedsprincip, som siger, at der findes en grænse for hvor præcist man på samme tid kan kende et objekts impuls (dvs.: dets masse gange hastighed) og dets position.

Forklaringen på denne begrænsning er, at man uundgåeligt kommer til at 'sparke' til et objekt så det flytter sig i tilfældige retninger, når man observerer det ved hjælp af lys. Det sker, fordi lyspartikler, fotoner, bumper ind i objektet - og dette fænomen, der kaldes Quantum Back Action (QBA), sætter grænser for, hvor præcist man kan måle på kvanteniveau.

Artiklen i Nature i sommeren 2017 vakte opsigt, fordi Eugene Polzik og hans medarbejdere kunne vise, at det i vid udstrækning faktisk er muligt at neutralisere QBA. Og når tyngdebølge-detektorerne, der også opererer med lys - nemlig med laserlys - ”ikke er så nøjagtige, som de kunne være”, som Eugene Polzik udtrykker det, skyldes det netop QBA.

Sagt meget forenklet kan man i vid udstrækning neutralisere QBA, hvis man først sender det lys, man bruger til observationer på kvanteniveau, gennem en form for ’filter’. Det var det, Nature-artiklen handlede om.

Det ’filter’, NBI-forskerne på Quantop havde udviklet og beskrev, var en sky af atomer af grundstoffet cæsium, som de havde lukket inde i en lille glascelle, der blot var 1 centimeter lang, 1/3 mm høj og 1/3 mm bred.

Det er lige præcis dette princip, som Polzik og hans medarbejdere nu vil prøve at bygge ind i udstyr til tyngdebølge-detektorer.

I teorien kan man optimere målingerne af tyngdebølger, hvis man bruger kraftigere laserlys, end man gør i dag i både Europa og USA.

 ”Problemet er bare”, siger professor Eugene Polzik, ”at kraftigere laserlys vil få to spejle i detektorerne, der er helt centrale i forbindelse med målingerne, til at ryste. Og det vil i virkeligheden bare skabe endnu større unøjagtighed, så den vej er ikke farbar”.

Tanken er derfor at lade det laserlys, der anvendes i tyngdebølge-detektorerne, passere gennem en særlig version af det ’filter’ i form af en indkapslet atomsky, som NBI forskerne allerede har gode erfaringer med, siger Eugene Polzik: ”Og det håber vi kommer til at virke efter hensigten”.

Link til videnskabelig artikel >>