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UR: un rivelatore di onde gravitazionali più piccolo e sensibile

Il Serie di ricerche di laurea È qui che evidenziamo la ricerca Siete su Azione. Se sei uno studente universitario che ha partecipato a un progetto di ricerca astronomica REU o simile e desideri condividerlo su Astrobites, controlla Pagina dell’applicazione per ulteriori dettagli. Ci piacerebbe anche saperne di più La tua esperienza di ricerca più generale!


Scott Macy

L’Università della California, Los Angeles (UCLA)

Foto di Scott Macy

Contro Scott C. Mackie è un senior in astrofisica presso l’Università della California con un interesse per la strumentazione. Questo lavoro è una continuazione del progetto estivo REU presso il Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics della Northwestern University con il professor Salim Shahryar. Il progetto è stato presentato come poster al 237 ° meeting dell’American Astronomical Society.

Le attuali osservazioni delle onde gravitazionali dipendono da: Interferometri Mickelson Come quelli utilizzati nei rilevatori LIGO o VIRGO. Questi sono costituiti da laser lunghi diversi chilometri che interferiscono quando lo spazio viene espanso o contratto dalle onde gravitazionali incidenti. Oltre ai costi significativi e ad altre sfide associate alla costruzione di rilevatori su una scala di migliaia di metri, un altro svantaggio è che le loro misurazioni sono limitate in termini di precisione a causa del rumore quantistico fondamentale. Al fine di risolvere problemi di volume e rumore, esploriamo l’uso di un rivelatore di onde gravitazionali basato sull’uso dei cosiddetti Il laser ultra luminoso. Questi laser hanno preso il nome dal fatto che la loro velocità di gruppo è maggiore della velocità nominale della luce. Di conseguenza, mostrano una dispersione negativa durante la propagazione e quindi hanno una relazione di ipersensibilità tra la loro frequenza e la lunghezza del lume che stanno attraversando. Quando un’onda gravitazionale in arrivo provoca l’espansione o la contrazione dello spazio, possiamo utilizzare questa relazione di ipersensibilità per rilevare i cambiamenti nella lunghezza della cavità laser a distanze molto inferiori a quelle misurate dai laser LIGO e VIRGO. In effetti, stimiamo che solo un rilevatore di 10 metri potrebbe raggiungere la stessa precisione di LIGO a una gamma di frequenza leggermente più ampia. I rilevatori di dimensioni superiori a 10 metri inizieranno a sperimentare molto meno rumore quantistico rispetto a LIGO per migliorare notevolmente la precisione.

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Al fine di aiutare a progettare questo nuovo rilevatore, ho eseguito simulazioni di comportamento ultra-luminoso per modellare accuratamente questi laser e determinare i parametri che ottimizzeranno il nostro uso dei laser, come la dimensione del foro, la potenza del laser e la frequenza di azionamento per essere in grado di per rilevare un segnale distinto di onde gravitazionali. Ciò richiede diverse operazioni matematiche intensive su un supercomputer, poiché il laser ultra luminoso viene creato sfruttando 39 Livelli secondari di Zeman In vapore di rubidio atomico. Utilizzando uno speciale algoritmo sviluppato dal gruppo di Shahryar, abbiamo risolto l’Hamiltoniano 39 × 39 per determinare l’evoluzione temporale del sistema quantistico che genera il laser. Ciò include considerazioni sull’accoppiamento tra sottolivelli e la rapida dispersione degli atomi. Eseguendo questa simulazione, siamo più vicini alla comprensione di un laser ultra luminoso e, infine, alla costruzione di un rilevatore di onde gravitazionali. Un giorno, molti piccoli rilevatori di onde gravitazionali di questo tipo potrebbero essere posizionati in tutto il mondo e nello spazio, dandoci l’opportunità di fare più osservazioni delle onde gravitazionali.

Diagramma schematico del rilevatore di onde gravitazionali proposto.
Figura 1. Questo è un diagramma di base di come funzionerebbe il reagente proposto. Il rilevatore utilizza due laser super-anello (alle frequenze f1 e f2) che interagiscono per produrre una frequenza di impulso proporzionale allo stress dell’onda gravitazionale. I laser vengono creati inviando un laser standard alle cavità di vapore atomico di rubidio e collegandoli alle trasformazioni di Zeman di livello inferiore in atomi.

A cura di Astrobite Michael Hammer