يضغط مرصد LIGO الضوء ليتجاوز الحد الكمي ويقيس تموجات الزمكان

تقوم مرافق موجات الجاذبية بقياس التشوهات في نسيج الزمكان بما يصل إلى 10 كوادريليون من عرض الشعرة – وهي صغيرة بما يكفي لسماع التداخل من الجسيمات التي تظهر وتختفي من الوجود. والآن تجاوزت منشأة LIGO هذا الحد الكمي عن طريق “ضغط” ضوء الليزر، مما سيعزز اكتشاف موجات الجاذبية بنحو 60%.

عندما تصطدم أجسام ضخمة للغاية مثل الثقوب السوداء، تكون الطاقة المنبعثة قوية بما يكفي لإرسال تموجات عبر الواقع نفسه. تنبأ ألبرت أينشتاين بموجات الجاذبية لأول مرة منذ أكثر من قرن من الزمان، ولكن لم يتمكن العلماء أخيرًا من اكتشافها مباشرة لأول مرة حتى عام 2015.

كانت المنشأة المسؤولة عن هذا الاكتشاف المهم هي مرصد قياس تداخل موجات الجاذبية بالليزر (LIGO)، الذي يعمل عن طريق توجيه أشعة الليزر عبر نفقين طويلين، وارتدادهما عن المرايا وقياس كيفية عودة الضوء. ومن خلال التحكم في التأثيرات الأخرى والمراقبة بعناية شديدة، يستطيع الكاشف استشعار متى يتم تشويه شعاع الليزر حتى بمقدار ضئيل – أقل من عرض البروتون – مما يشير إلى أن موجات الجاذبية قد مرت. وفي السنوات التي تلت ذلك، التقط مرصد LIGO وغيره من أجهزة الكشف الأخرى العشرات من إشارات موجات الجاذبية.

لكن حساسية هذه المرافق لها حدود تمليها قوانين فيزياء الكم نفسها. في حين يُعتقد عمومًا أن الفراغ – بما في ذلك تلك الموجودة في الأنابيب التي تحتوي على ليزر LIGO – هو مساحة فارغة تمامًا، إلا أنه من المستحيل تحقيق مثل هذا الشيء. تعني التقلبات الكمومية أن الجسيمات تظهر باستمرار إلى الوجود، وتعيش لأجزاء من الثانية ثم تختفي مرة أخرى. يتداخل هذا الطقطقة الخافتة للضوضاء الكمومية مع ملاحظات مرصد LIGO ويضع حدًا صارمًا لها.

الآن، اكتشف علماء مرصد LIGO طريقة للمضي قدمًا، باستخدام تقنية تسمى الضغط الكمي. وهذا ينسجم مع مبدأ عدم اليقين، الذي ينص على أنه كلما زادت دقة معرفتك لميزة واحدة لجسم ما، قلّت قدرتك على معرفة السمات الأخرى. المثال الأكثر شيوعًا هو قفز الجسيم في صندوق، إذا تمكنت من قياس موضعه بدقة في وقت معين، فستعرف القليل عن زخمه، والعكس صحيح.

في هذه الحالة، تلاعب العلماء بمبدأ عدم اليقين للحصول على أقصى استفادة من ليزرات LIGO عن طريق تعديل خاصيتين للضوء – الطور والسعة. تمت إضافة بلورات متخصصة إلى الأنابيب أثناء ترقية 2019 “تضغط” على مرحلة الضوء حتى تصل الفوتونات إلى أجهزة الاستشعار في جداول زمنية أكثر قابلية للتنبؤ بها. لكن بالطبع، هذا يجعل السعة أقل تأكيدًا، مما يعني أن الليزر يتسبب في اهتزاز المرايا وإخفاء أي موجات جاذبية منخفضة التردد قد يكتشفها بطريقة أخرى.

للتغلب على هذه المشكلة، تم تركيب أداة جديدة على مرصد LIGO تسمى تجويف الضغط المعتمد على التردد. وكما يوحي الاسم، فهو يعمل عن طريق ضغط خصائص مختلفة للضوء لترددات مختلفة، لإعطاء أفضل ما في العالمين. ومن أجل اكتشاف موجات الجاذبية بشكل أكثر دقة، يحتاج العلماء إلى مزيد من اليقين في سعة الترددات المنخفضة وفي مرحلة الترددات العالية، والنظام يسمح بذلك الآن.

وقالت رانا أديكاري، مؤلفة الدراسة: “في السابق، كان علينا أن نختار المكان الذي أردنا أن يكون فيه مرصد LIGO أكثر دقة”. “الآن يمكننا أن نأكل كعكتنا ونحصل عليها أيضًا. لقد عرفنا منذ فترة كيف نكتب المعادلات لإنجاح هذا الأمر، لكن لم يكن من الواضح أننا قادرون على إنجاحه حتى الآن. إنه مثل الخيال العلمي.”

ومن خلال تحطيم هذا الحد الكمي، يقول الفريق إن الدقة المحسنة ستسمح لـ LIGO بالكشف عن أحداث موجات الجاذبية بنسبة 60٪ أكثر من العمليات السابقة. ومن المتوقع أيضًا أن يبدأ مرصد فيرجو، شريك LIGO، الموجود في إيطاليا، في استخدام تقنية الضغط المعتمدة على التردد قبل نهاية العام المقبل.

ومن المقرر أن يتم نشر البحث المراجعة البدنية X. يصف الفريق العمل في الفيديو أدناه.

المصدر: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا