Thiết bị mới mở rộng tầm với của LIGO
Mới một năm trước đây, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế (LIGO) do Quỹ Khoa học Mỹ tài trợ đã phát hiện ra các sóng hấp dẫn hàng tháng. Hiện tại, một bổ sung mới khiến hệ thống này có khả năng dò được những gợn sóng trong không – thời gian hàng tuần.
Các nhà nghiên cứu lắp đặt một thiết bị ép lượng tử vào trong một trong nhưng máy dò sóng hấp dẫn của LIGO. Nguồn: Lisa Barsotti
Kể từ khởi động kỳ vận hành thứ ba của LIGO vào tháng 4/2019, một thiết bị mới được biến đến như một “máy ép” chân không lượng tử (quantum vacuum squeezer) có thể hỗ trợ các nhà khoa học lựa chọn được hàng tá tín hiệu sóng hấp dẫn, bao gồm cả sóng hấp dẫn được sinh ra từ việc sáp nhập hai sao neutron.
Máy ép này, như các nhà khoa học vẫn gọi nó, được các nhà khoa học của MIT hợp tác với đồng nghiệp ở Viện Công nghệ Caltech và trường đại học quốc gia Australia, thiết kế và ghép nối với các máy dò của LIGO rồi miêu tả nó trong một bài báo xuất bản trên Physical Review Letters.
Những gì thiết bị này ‘ép’ là nhiễu lượng tử – những dao động nhỏ tí xíu trong buồng chân không của không gian được lắp trong các máy dò. Những tín hiệu mà LIGO dò được quá mờ nhạt mà các lượng tử, nói theo cách khác là các dao động nhỏ có thể có ảnh hưởng pha tạp, có tiềm năng làm đục hoặc hoàn toàn che mất các tín hiệu đến của sóng hấp dẫn.
“Cơ chế lượng tử liên quan đến thực tế là tia laser của LIGO được tạo ra từ các photon,” Maggie Tse,tác giả thứ nhất của công bố và là sinh viên của MIT, giải thích. “Thay vì một dòng chảy liên tụ của ánh sáng laser, nếu nhìn đủ gần anh có thể thấy mỗi photon đều có nhiễu và mỗi photon đều chiu ảnh hưởng của các dao động chân không. Nhưng ngược lại một dòng chảy liên tục của ánh sáng có thể tạo ra một thứ nhiễu không đổi trong máy dò, mỗi photon đơn lẻ đến trong máy dò với một ít ‘nhạc’”.
“Nhiễu lượng tử này giống như tiếng lách tách của ngô rang trên nền chung, nó ảnh hưởng đến giao thoa kế của chúng tôi, và thật khó khăn để đo đạc”, Nergis Mavalvala, giáo sư Marble vật lý thiên văn và phó khoa Vật lý tại MIT, bổ sung thêm.
Với công nghệ ép mới, LIGO đã có thể giảm tiến ồn lượng tử này xuống, qua đó mở rộng phạm vi của các máy dò 15%. Kết hợp với hiệu quả tăng thêm của laser trong LIGO, điều này nghĩa là các máy dò có thể tuyển được sóng hấp dẫn được sinh ra từ một nguồn phát trong vũ trụ ở cách xa 140 megaparsec, hay lớn hơn 400 triệu năm ánh sáng. Sự nâng cấp này khiến cho LIGO có khả năng dò được các sóng hấp dẫn hàng tuần.
“Khi tỉ lệ của việc dò được gia tăng, chúng tôi không chỉ hiểu được rõ hơn về các nguồn phát đã biết thông qua quá trình nghiên cứu trước đây mà còn có được tiềm năng khám khá những điều cùng đến nhưng còn chưa rõ”, Mavalvala, một thành viên lâu năm của nhóm các nhà khoa học tại LIGO, nói. “Chúng tôi đang tuyển một mạng lưới rộng hơn”.
Các tác giả thứ nhất của bài báo là Maggie Tse, Haocun Yu và Lisa Barsotti, một nhà nghiên cứu chính ltaij Viện nghiên cứu vật lý thiên văn và vũ trụ Kavli của MIT, cùng với nhiều người khác của nhóm hợp tác LIGO.
Giới hạn lượng tử
LIGO bao gồm hai máy dò gống hệt nhau, một cái đặt tại Hanford, Washington, và cái còn lại tại Livingston, Louisiana. Mỗi máy dò có hai đường hầm dài 4 km, hay còn gọi là những cánh tay, mỗi cánh tay duỗi rộng và cùng với cái còn lại định hình thành chữ “L”.
Để dò sóng hấp dẫn, các nhà khoa học gửi một chùm tia laser từ góc của máy dò hình chữ L, đến tưng cánh tay và tại điểm cuối của nó tia laser bị một tấm gương chặn lại. Mỗi tia laser bật nhảy đến từng tấm gương tương ứng và đi qua từng cánh tay để trở lại điểm bắt đầu. Nếu có một sóng hấp dẫn đi qua máy dò này, nó có thể chuyển vị trí của một hoặc cả hai tấm gương, có thể lần lượt ảnh hưởng đến thời gian mỗi lần trở lại vị trí ban đầu của từng tia laser. Đây là thời điểm các nhà khoa học có thể đo đạc để nhận diện tín hiệu sóng hấp dẫn.
Nguồn chính của tính bất định trong các đo đạc của LIGO là do nhiễu lượng tử trong nền chân không laser. Trong khi một buồng chân không vẫn được nghĩ là rỗng không, không ó gì trong không gian của nó, các nhà vật lý nghĩ rằng nó như một trạng thái trong đó các hạt hạ nguyên tử (trong trường hợp này là các photon) đang được hình thành thông qua việc tạo ra và phá hủy một cách bền vững, xuất hiện rồi biến bất một cách nhanh chóng nên rất khó dò được chúng. Cả hai thời điểm đến (pha) và số lượng (biên độ) của những hạt photon này hoàn toàn còn chưa được biết đến, và hoàn toàn bất định, khiến cho các nhà khoa học trở nên khó khăn hơn trong việc tìm thấy các tín hiệu sóng hấp dẫn từ những kết quả trên nền nhiễu lượng tử.
Và do chính nhiễu lượng tử này là bền vững và khi LIGO tìm thấy các tín hiệu mở nhạt, nhiễu lượng tử này trở thành yếu tố giới hạn của việc dò.
“Đo đạc mà chúng tôi thực hiện quá nhạy khiến chân không lượng tử trở thành vấn đề lớn”, Barsotti lưu ý.
Đặt máy ép lên nhiễu
Một thiết bị ép lượng tử được hi vọng làm máy dò của LIGO nhạy thêm 50%. Nguồn: Maggie Tse
Nhóm nghiên cứu của MIT đã mất 15 năm để thiết kế một thiết bị có thể giảm yếu tố bất định trong nhiễu lượng tử xuống, để họ có thể tìm thấy những tín hiệu mờ hơn và xa hơn của tín hiệu sóng hấp dẫn, vốn có thể bị nhiễu lượng tử át đi.
Ép lượng tử là một lý thuyết đã được đề xuất lần đầu vào những năm 1980, việc hình thành ý tưởng là nhiễu chân không lượng tử có thể được tái hiện như một mạt cầu của tính bất định dọc theo hai trục: pha và biên độ. Nếu hình cầu này bị ép giống như một quả bóng bị nén theo cách hình cầu dọc theo trục biên độ, nó có thể ảnh hưởng đến sự co rút của tính bất định trong trạng thái biên độ của chân không (phần bị nén của quả bóng căng), trong khi tính bất định của trạng thái pha (thay đổi vị trí và làm phồng quả bóng).
Kể từ khi pha bất định này chủ yếu đem lại nhiễu cho LIGO, độ co ngót có thể khiến máy dò trở nên nhạy hơn với các tín hiệu vật lý thiên văn.
Khi lý thuyết này được đề xuất lần đầu vào thời điểm 40 năm trước, một nhóm các nhà khoa học đã cố gắng xây dựng những thiết bị ép lượng tử trong phòng thí nghiệm.
“Sau những lần trình diễn ban đầu, điều này trở nên toàn toàn có thể”, Mavalvala nói.
“Thách thức với việc chế tạo các máy nén là trạng thái chân không bị nén rất mỏng manh”, Tse cho biết. “Đón một quả bóng bị ép, từ nơi nó được tạo ra đến nơi nó được đo đạc là một nỗ lực đáng ngạc nhiên. Bất cứ sai lầm nào cũng khiến quả bóng đó có thể nẩy trở lại trạng thái chưa bị ép”.
Sau đó, khoảng năm 2002, chỉ các máy dò của LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn nên các nhà nghiên cứu tại MIT bắt đầu nghĩ rằng ép lượng tử là mọt cách để giảm bớt nhiễu, vốn có thể che giấu những tín hiệu sóng hấp dẫn mở nhạt Họ đã phát triển một thiết kế mang tính sơ khởi cho một máy ép chân không và thử nghiệm vào năm 2010 tại máy dò của đặt ở Hanford. Kết quả thật đáng khích lệ: thiết bị này có thể thúc đẩy tỉ lệ tín hiệu bắt được khỏi nhiễu – cường độ của tín hiệu hứa hẹn trên nền nhiễu.
Kể từ đó nhóm nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của Tse và Barsotti, đã tinh chỉnh thiết kế của mình, chế tạo và kết nối vào các máy dò của LIGO. Phần trung tâm của máy ép là một dao động than số quang học OPO – một thiết bị hình nút có gắn một tinh thể nhỏ bên trong một cấu hình của những tấm gương. Khi các nhà nghiên cứu trực tiếp truyền một chùm tia laser vào tinh thể này, các nguyên tử của nó trở nên dễ dàng thực hiện các tương tác bên trong laser và chân không lượng tử theo một cách tái sắp xếp các đặc tính của pha với biên độ, tạo ra một chân không “bị nén” mới để sau dó tiếp tục chạy trong mỗi cánh tay của máy dò như bình thường. Chân không bị nén này có pha các dao động nhỏ hơn chân không thông thường nên cho phép các nhà nghiên cứu dò được sóng hấp dẫn tốt hơn.
Trong việc tăng thêm năng lực dò sóng hấp dẫn của LIGO, máy ép lượng tử mới cũng có thể giúp các nhà khoa học phân tách thông tin tốt hơn về các nguồn tạo ra các sóng hấp dẫn đó.
“Chúng tôi có chân không lượng tử mà chúng tôi có thể điều khiển mà không cần phải xâm phạm đến các luật tự nhiên, và chúng tôi có thể thực hiện được phép đo đạc ngày một cải thiện độ chính xác hơn”, Mavalvala nói. “Nó nói với chúng tôi rằng thi thoảng, chúng tôi có thể thực hiện được điều gì đó theo một trật tự nhất định, dù không phải lúc nào cũng vậy”.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-instrument-ligo.html
