重力波検出装置は、人間の髪の毛の幅の 1 兆分の 1 という小さな時空構造の歪みを測定できます。この歪みは、出入りする粒子の干渉が聞こえるほど小さいものです。現在、LIGO 施設はレーザー光を「絞る」ことでこの量子の限界を超え、それによって重力波の検出能力が約 60% 向上しました。
ブラックホールのような超大質量物体が衝突すると、放出されるエネルギーは現実に波紋を広げるのに十分です。アインシュタインはこれらの重力波を 1 世紀以上前に初めて予測しましたが、科学者たちが最終的にそれらを初めて直接検出したのは 2015 年になってからでした。
この大規模な検出を担当する施設は、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) です。この施設は、2 つの長いトンネルにレーザー光を発射し、鏡で反射し、光がどのように戻ってくるかを測定することによって機能します。他の影響を制御し、注意深く観察することで、検出器は、重力波が通過したことを示す、レーザービームの小さな歪み (陽子の幅より小さい) を感知できます。それ以来、LIGO やその他の検出器は数十の重力波信号を捕捉してきました。
しかし、これらの施設の感度には限界があり、量子物理学自体の法則によって決まります。真空 (LIGO レーザー管内の真空を含む) は完全に空の空間であるとよく考えられますが、これを実現することは不可能です。量子ゆらぎとは、粒子が常に出現し、ほんの一瞬だけ生存し、その後再び消滅することを意味します。この弱い量子ノイズは LIGO の観測に干渉し、観測に厳しい制限を課します。
今回、LIGO の科学者たちは、量子圧縮と呼ばれる技術を使用して画期的な進歩を達成する方法を発見し、実証しました。この方法は、オブジェクトの 1 つの特徴をより正確に知るほど、他の特徴についての正確さが低下するという不確実性原理を利用します。最も一般的な例は、箱の中で跳ね返る粒子です。特定の時点での位置を正確に測定できれば、その運動量についての知識は少なくなりますし、その逆も同様です。
この場合、科学者は光の 2 つの特性、位相と振幅を調整することで不確実性原理を操作し、LIGO のレーザーからより多くの情報を取得しました。 2019 年のアップグレード中にパイプラインに追加された特別な結晶は、光の位相を「絞る」ことで、光子がより予測可能な時間にセンサーに到着するようにします。もちろん、これにより振幅の確実性も低下します。つまり、レーザーによってミラーが振動し、検出される可能性のある低周波の重力波が隠蔽されることになります。
この問題を解決するために、周波数依存スクイーズ キャビティと呼ばれる新しい機器が LIGO に取り付けられました。名前が示すように、その動作原理は、異なる特性を持つ異なる周波数の光を絞り出し、両方の長所を実現することです。重力波を最も正確に検出するには、科学者は低周波数での振幅と高周波数での位相についてより確実性を必要としますが、このシステムはそれを実現できるようになりました。
「以前は、LIGOをより正確にしたい場所を選択する必要がありました」と研究の著者であるラナ・アディカリ氏は言う。 「さあ、ケーキを切ってお祝いしましょう。これを達成するための方程式を書き留める方法は長い間わかっていましたが、実際に達成できるかどうかは今になって初めてわかりました。まるで SF です。」
この量子の限界を超えることで、精度が向上し、LIGOは以前より60%多くの重力波イベントを検出できるようになると研究チームは述べた。 LIGOのパートナー天文台であるイタリアのVirgoも、来年末までに周波数依存スクイージングの使用を開始する予定だ。
研究チームは以下のビデオで研究について説明しています。