Dari penerjemah:
Artikel ini adalah semacam pengumuman tentang kemungkinan. Profesor David Blair merangkum karya ilmiah yang membuka jalan untuk meningkatkan sensitivitas detektor gelombang gravitasi hingga 40 kali atau lebih. Dalam praktiknya, pengumuman ini berarti bahwa sebentar lagi kita mungkin akan melihat program sains populer yang sangat berbeda tentang luar angkasa. Dan ini, tentu saja, hanyalah ceri di kue. Detektor adalah urutan besarnya lebih sensitif - ini adalah pengetahuan baru tentang fisika ruang. Perspektifnya memukau, jadi saya tidak bisa tidak menerjemahkan teks ini dan membagikannya.
Pada 2017, para astronom menyaksikan kelahiran lubang hitam untuk pertama kalinya. Detektor gelombang gravitasi menangkap riak di ruangwaktu yang disebabkan oleh tabrakan dua bintang neutron yang membentuk lubang hitam, dan kemudian teleskop lain mengamati hasilnya - sebuah ledakan.
Namun detail sebenarnya tentang bagaimana lubang hitam terbentuk, detail pergerakan materi sesaat sebelum tersembunyi di dalam cakrawala peristiwa, tidak diperhatikan. Ini terjadi karena gelombang gravitasi yang dikeluarkan pada saat-saat terakhir ini memiliki frekuensi yang sangat tinggi sehingga detektor saat ini tidak dapat menangkapnya. Jika Anda bisa melihat bagaimana materi biasa berubah menjadi lubang hitam, maka itu akan menjadi sesuatu yang mirip dengan Big Bang, tetapi dalam arah yang berlawanan. Ilmuwan yang merancang detektor gelombang gravitasi telah bekerja keras untuk mencari cara bagaimana meningkatkan sensitivitas detektor sehingga mereka dapat mengamati transformasi materi biasa menjadi lubang hitam.
Hari ini tim kami menerbitkan artikel, yang menjelaskan cara meningkatkan sensitivitas detektor. Solusi yang diusulkan dapat membuat detektor 40 kali lebih sensitif terhadap gelombang frekuensi tinggi yang kita butuhkan, memungkinkan para astronom untuk mendengarkan materi yang terbentuk di lubang hitam. Kita berbicara tentang penciptaan paket energi baru yang tidak biasa (atau "kuanta"), yang merupakan campuran dari dua jenis getaran kuantum. Untuk mencapai sensitivitas yang dibutuhkan, perangkat berbasis teknologi ini dapat digabungkan dengan detektor gelombang gravitasi yang ada.
Masalah kuantum
Detektor gravitasi seperti Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory di AS menggunakan laser untuk mengukur perubahan yang sangat kecil dalam jarak antara dua cermin. Efek mekanika kuantum, fisika partikel individu atau kuanta energi, memainkan peran penting dalam cara kerja detektor tersebut, karena laser mengukur perubahan seribu kali lebih kecil daripada ukuran proton tunggal.
dua jenis paket energi kuantum berbeda yang diprediksi oleh Albert Einstein. Pada tahun 1905, Einstein meramalkan bahwa cahaya bergerak melalui ruang angkasa dalam paket energi, yang kita sebut foton ; dua tahun kemudian, ilmuwan meramalkan bahwa energi termal dan suara melewati ruang dalam paket energi lain - fonon... Sementara foton banyak digunakan dalam teknologi modern, fonon jauh lebih canggih dalam pengertian ini. Fonon individu biasanya terbenam dalam sejumlah besar fonon acak - panas lingkungannya sendiri. Dalam detektor gelombang gravitasi , fonon mengurangi kepekaan cermin detektor ketika mereka memantul di dalamnya.
Lima tahun lalu, fisikawan menyadari bahwa perangkat yang menggabungkan fonon dan foton dapat memecahkan masalah sensitivitas yang tidak memadai pada frekuensi tinggi . Ilmuwan telah menunjukkan bahwa perangkat, di mana energi ditransfer dalam paket kuantum, yang memiliki sifat fonon dan foton, juga dapat memiliki fitur yang sangat luar biasa.
Perangkat ini melibatkan perubahan radikal dalam konsep yang dikenal yang disebut "amplifikasi resonansi". Amplifikasi resonansi terjadi saat Anda mendorong ayunan ringan di taman bermain: jika Anda mendorongnya pada saat yang tepat, guncangan kecil akan menyebabkan ayunan besar. Perangkat baru , yang disebut WLC, harus memperkuat semua frekuensi secara merata. Ini seperti ayunan, yang bisa didorong kapan saja, sambil mencapai ayunan yang bagus. Namun, belum ada yang mengetahui cara membuat salah satu dari kedua perangkat ini, karena fonon di dalam perangkat tersebut akan dibebani dengan getaran acak yang terjadi akibat pemanasan.
Solusi kuantum
Dalam pekerjaan kami , yang diterbitkan dalam Komunikasi Fisika , kami menunjukkan bagaimana dua proyek berbeda yang sedang dikerjakan para ilmuwan saat ini dapat meningkatkan sensitivitas detektor.
- Institut Niels Bohr di Kopenhagen sedang mengembangkan perangkat yang disebut kristal fonon, di mana getaran termal dikendalikan oleh struktur kristal yang diukir menjadi membran tipis.
- Pusat Keunggulan Australia untuk Sistem Kuantum Teknik juga telah mendemonstrasikan sistem alternatif di mana fonon dikurung di dalam lensa kuarsa ultra murni.
Makalah ini menunjukkan bahwa kedua sistem ini memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk menciptakan "dispersi negatif" yang merambatkan frekuensi cahaya berlawanan dengan pola pelangi, yang pada gilirannya diperlukan dispersi untuk WLC. Ditambahkan ke bagian belakang detektor gelombang gravitasi yang ada, kedua sistem dapat meningkatkan sensitivitas pada frekuensi beberapa kilohertz dengan faktor 40 atau lebih, yang diperlukan untuk mendengar lubang hitam lahir.
Apa berikutnya?
Penelitian kami tidak segera memecahkan masalah peningkatan detektor gravitasi. Mengubah perangkat ini menjadi alat praktis menghadirkan tantangan eksperimental yang sangat besar. Tetapi penelitian ini membuka jalan bagi peningkatan sensitivitas pendeteksi yang dibutuhkan untuk mengamati kelahiran lubang hitam sebanyak 40 kali lipat.
Ahli astrofisika telah memperkirakan bentuk kompleks dari gelombang gravitasi yang diciptakan oleh kejang bintang neutron saat raksasa ini membentuk lubang hitam.... Gelombang gravitasi ini memungkinkan kita untuk mendengarkan fisika nuklir dari bintang neutron yang sekarat. Misalnya, telah ditunjukkan bahwa gelombang ini dapat dengan jelas menunjukkan apakah neutron tetap menjadi neutron dalam sebuah bintang, atau apakah mereka membusuk menjadi lautan quark - partikel subatomik terkecil. Jika kita bisa melihat bagaimana neutron berubah menjadi quark dan kemudian menghilang menjadi singularitas lubang hitam, proses yang diamati akan menjadi kebalikan dari Big Bang, ketika partikel yang menciptakan alam semesta kita muncul dari singularitas.