Физики нашли способ отделить гравитационные волны от помех оборудования

Поиск источников гравитационных волн — все еще сложная задача для ученых. Это требует измерения чрезвычайно слабых сигналов, которые легко потерять в фоновом шуме. Надежный способ их детектировать необходим для изучения Вселенной.

Длиннобазовые атомные интерферометры становятся одним из самых перспективных инструментов для этого. В них лазеры расщепляют облака атомов, а затем сводят их обратно. Работа с такими интерферометрами проводится через сравнение поведения двух облаков атомов, находящихся в разных точках, которые облучают одним и тем же лазером. Любое различие между ними может указывать на скрытые сигналы, например на присутствие поля темной материи или влияние гравитационных волн.

Однако метод сталкивался с серьезной проблемой. Лазер создает шум, перекрывающий искомые сигналы. Он может полностью забивать важные для ученых данные. 

Разрезать на расстоянии: как работают современные лазерные технологии О лазерной резке металла многие слышали, но при этом мы скорее думаем о станке, нежели о мобильном лазерном комплексе, бодро разрезающем с расстояния в 200 метров загоревшуюся нефтяную вышку, напри… naked-science.ru

Чтобы преодолеть это, исследователи предложили новый подход: сравнивать результаты работы двух интерферометров. Это позволяет эффективно устранять шумы. Они экспериментально показали, что созданная ими система работает правильно. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Ученые создали создали настольный прототип сенсора с двумя пространственно разделенными облаками ультрахолодного стронция-87, данные о которых получал один сверхстабильный часовой лазер. Установку сконструировали так, чтобы имитировать условия гораздо более крупных экспериментов, где контролировать шум будет сложнее.

Команда физиков также намеренно внесла в систему дополнительный шум — намного больший, чем дают лазеры для часов естественным образом. Так они создали условия, сравнимые с детекторами с длинной базой, которые используют для поиска гравитационных волн. По отдельности шум полностью подавлял сигнал с каждого интерферометра.

Часть лазерной установки. Кристалл титан-сапфира излучает свет, который будет использован для разделения облаков атомов / © Dr. Charles Baynham, Imperial College London

Однако при сравнении данных двух интерферометров физикам удавалось восстановить четкий сигнал. Несмотря на то что каждое отдельное измерение выглядело случайным, сравнение их раскрывало истинное поведение системы. Совместное измерение работает на фундаментальном пределе точности, установленном квантовой физикой. Ученые говорят, что это доказывает, что подавление лазерного шума работает так, как им требуется.

Затем исследователи ввели в систему дополнительный осциллирующий сигнал, похожий на тот, что могли бы создать проходящая гравитационная волна или поле темной материи. Этот сигнал удалось четко зарегистрировать даже в условиях, когда данные одного отдельного интерферометра не содержали полезной информации.

Астрономы открыли доступ к симуляции Вселенной для изучения темной материи и энергии Чтобы понять, как формируются галактики, скопления и сама структура Вселенной, ученые открыли доступ к одной из крупнейших космологических симуляций в истории — FLAMINGO. Модель поможет точнее изуч… naked-science.ru

Эта работа демонстрирует в реалистичных экспериментальных условиях ключевую методику, актуальную для атомных интерферометрических установок нового поколения. В будущем такие детекторы смогут исследовать ранее недоступные частотные диапазоны гравитационных волн и искать новые формы материи, открывая прежде не изученное окно во Вселенную.