Investigadores del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) han utilizado la infraestructura del antiguo detector de ondas gravitacionales TAMA300 en Mitaka, Tokio demostrar una nueva técnica para reducir el ruido cuántico en detectores. Esta nueva técnica aumentará la sensibilidad de los detectores que componen una red colaborativa mundial de ondas gravitacionales, permitiéndoles observar ondas más débiles.

Cuando comenzó a realizar observaciones en 2000, TAMA300 fue uno de los primeros detectores de ondas gravitacionales interferométricas a gran escala del mundo. En ese momento, TAMA300 tenía la sensibilidad más alta del mundo, establecer un límite superior en la fuerza de las señales de ondas gravitacionales; pero la primera detección de ondas gravitacionales reales se realizó 15 años después en 2015 por LIGO. Desde entonces, La tecnología de los detectores ha mejorado hasta el punto de que los detectores modernos están observando varias señales por mes. Los resultados científicos obtenidos de estas observaciones ya son impresionantes, y se esperan muchos más en las próximas décadas. TAMA300 ya no participa en observaciones, pero todavía se utiliza como banco de pruebas de nuevas tecnologías para mejorar otros detectores.

La sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales actuales y futuros está limitada en casi todas las frecuencias por el ruido cuántico causado por los efectos de las fluctuaciones de vacío de los campos electromagnéticos. Pero incluso este ruido cuántico inherente se puede eludir. Es posible manipular las fluctuaciones del vacío para redistribuir las incertidumbres cuánticas, disminuir un tipo de ruido a expensas de aumentar uno diferente, tipo de ruido menos obstructivo. Esta tecnica, conocido como exprimir al vacío, ya se ha implementado en detectores de ondas gravitacionales, aumentando enormemente su sensibilidad a ondas gravitacionales de frecuencia más alta. Pero la interacción optomecánica entre el campo electromagnético y los espejos del detector hace que el efecto de la compresión por vacío cambie dependiendo de la frecuencia. Entonces, a bajas frecuencias, apretar al vacío aumenta el tipo de ruido incorrecto, realmente degradando la sensibilidad.

Para superar esta limitación y lograr un ruido reducido en todas las frecuencias, un equipo de NAOJ compuesto por miembros del Proyecto de ciencia de ondas gravitacionales interno y la colaboración de KAGRA (pero también incluidos investigadores de las colaboraciones de Virgo y GEO) ha demostrado recientemente la viabilidad de una técnica conocida como compresión de vacío dependiente de la frecuencia en las frecuencias útil para detectores de ondas gravitacionales. Debido a que el propio detector interactúa con los campos electromagnéticos de manera diferente según la frecuencia, el equipo utilizó la infraestructura del antiguo detector TAMA300 para crear un campo que varía según la frecuencia. Un campo de vacío comprimido normal (independiente de la frecuencia) se refleja en una cavidad óptica de 300 metros de largo, de manera que se imprime una dependencia de la frecuencia y es capaz de contrarrestar el efecto optomecánico del interferómetro.

Esta técnica permitirá mejorar la sensibilidad tanto en frecuencias altas como bajas simultáneamente. Este es un resultado crucial que demuestra una tecnología clave para mejorar la sensibilidad de los futuros detectores. Su implementación, planeado como una actualización a corto plazo, junto con otras mejoras, Se espera que duplique el rango de observación de los detectores de segunda generación.

Estos resultados aparecerán como Zhao, Y., et al. "Fuente de vacío comprimida dependiente de la frecuencia para la reducción de ruido cuántico de banda ancha en detectores avanzados de ondas gravitacionales" en Cartas de revisión física el 28 de abril 2020. Un grupo del MIT ha obtenido un resultado similar utilizando una cavidad de filtro de 16 m, y los dos artículos se publicarán conjuntamente.