为引力波观测站提供新的镜像涂层,从而将LIGO的触角延伸到宇宙中

圆盘振动镜测试

整个测量过程需要几个小时才能完成,它是完全自动化的,可以远程控制,也可以从实验室工作站进行控制。电脑屏幕上方的彩色图像显示了磁盘振动的一些方式。这些振动模式可以被仪器检测到,并用于确定被测镜面材料的性能。信贷:加州理工学院

新的镜面涂层将增加空间的体积LIGO可以在下一次运行时探测。

自从LIGO在2015年开创性地发现了引力波由一对黑洞碰撞产生的黑洞,该天文台与其欧洲合作伙伴室女座(Virgo)设施已经探测到几十个类似的宇宙轰鸣声,在空间和时间中产生涟漪。

未来,随着美国国家科学基金会(National Science foundation)资助的LIGO天文台(一个位于华盛顿的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿)进行越来越多的升级,这些设备有望探测到越来越多的此类极端宇宙事件。这些观测将有助于解决宇宙的基本奥秘,比如黑洞是如何形成的,以及宇宙的成分是如何形成的。yabo2018体育下载

研究人员测试激光干涉引力波反射镜的涂层

研究人员将激光干涉引力波(LIGO)反射镜的涂层沉积在比真实反射镜更小、因此更容易操作的玻璃盘上。其中一个测试磁盘正在从其存储容器中取出。信贷:加州理工学院

提高天文台灵敏度的一个重要因素涉及仪器中心玻璃镜面上的涂层。每个重达40公斤(88磅)的镜子(两个LIGO观测站的每个探测器都有4个)都被涂上了反射材料,基本上把玻璃变成了镜子。反射镜反射的激光束对通过的引力波很敏感。

一般来说,反射性越强的镜子,仪器的灵敏度就越高,但有一个问题:使镜子反射的涂层也会导致仪器中的背景噪声——这些噪声掩盖了感兴趣的引力波信号。

金属氧化物涂层的薄层

照片中的粉红色是由于表面沉积了一层薄薄的金属氧化物涂层。信贷:加州理工学院

LIGO的现在,一项新的研究小组描述了一种新型的反射镜膜的氧化钛和氧化锗,并概述了如何降低背景噪音LIGO的镜子的两倍,从而增加空间的体积,LIGO可以探测八倍。

加州理工学院LIGO高级研究科学家加布里埃尔·瓦詹特(Gabriele Vajente)说:“我们希望找到一种材料,它处于当今可能存在的边缘。”瓦詹特是发表在该杂志上的一篇有关LIGO的论文的主要作者yabo2018体育下载物理评论快报.“我们研究宇宙天文级大尺度的能力受到这个非常微小的微观空间所发生的事情的限制。”

真空室测量系统

从真空室的一个窗口看到的测量系统。红点是由探测激光束产生的。信贷:加州理工学院

加州理工学院LIGO实验室的执行主任David Reitze说:“有了这些新的涂层,我们希望能够将对引力波的探测率从一周一次提高到一天一次或更多。”

这项研究是加州理工学院(Caltech)与加州理工学院(Caltech)之间的合作,未来可能会在电信和半导体领域得到应用。科罗拉多州立大学;蒙特利尔大学;以及斯坦福大学,其在SLAC国家加速器实验室的同步加速器被用于涂层的表征。

内部测量真空室

测量真空室内部一览:可以同时测量四个不同材质的样品。信贷:加州理工学院

LIGO利用干涉仪探测器探测时空涟漪。在这个装置中,一束强大的激光束被分成两束:每束光束沿着一个大的l形真空框的一只手臂向4公里外的镜子传播。镜子将激光束反射回它们发出的光源。当引力波经过时,它们会拉伸和挤压空间,其程度几乎难以察觉,但却可以检测到(远小于一个质子的宽度)。微扰改变了两束激光束返回光源的时间。

微调样品室

在样品被放置在腔内后,需要进行一些微调,以确保它们是水平的和完美的居中。信贷:加州理工学院

镜子本身的任何振动——甚至是镜子涂层中原子的微观热振动——都会影响激光束到达的时间,使其很难分离出引力波信号。

Vajente说:“每次光在两种不同的材料之间穿过时,都会有一部分光被反射。”“这就像在你的窗户上发生的事情一样:你可以在玻璃上看到你微弱的反射。通过添加多层不同的材料,我们可以加强每次反射,使镜子的反射率达到99.999%。”

真空室实验室设备

真空室是关闭显示,就在空气被抽出去之前。在开始观察圆盘的振动和测量涂层材料的能量耗散之前,这个腔室必须达到小于地球大气的十亿分之一的压力。信贷:加州理工学院

“这项工作的重要之处在于,我们开发了yabo2018体育下载一种更好地测试材料的新方法,”Vajente说。“我们现在可以在8小时内完全自动化地测试一种新材料的性能,而以前需要将近一周的时间。yabo2018体育下载这让我们可以通过尝试很多不同的材料和很多的组合来探索元素周期表。我们尝试的一些材料并不奏效,但这让我们了解了哪些特性可能是重要的。”

Gabriele Vajente

Gabriele Vajente。信贷:加州理工学院

最后,科学家们发现,由氧化钛和氧化锗组合而成的涂层材料耗散的能量最少(相当于减少热振动)。

美国科罗拉多州立大学(Colorado State University)教授、LIGO科学合作项目成员卡门·梅诺尼(Carmen Menoni)说:“我们定制了制造工艺,以满足光学质量的严格要求,并降低镜面涂层的热噪声。”Menoni和她在科罗拉多州立大学的同事使用了一种叫做离子束溅射的方法来覆盖镜子。在这个过程中,钛原子和锗原子从一个来源分离出来,与氧气结合,然后沉积在玻璃上,形成薄薄的原子层。

这种新的涂层可能会用于LIGO的第五次观测,这将作为先进LIGO Plus项目的一部分,在未来十年中期开始。与此同时,LIGO的第四次观测,也是高级LIGO项目的最后一次,预计将于2022年夏季开始。

Reitze说:“这是一个很好的例子,说明LIGO在很大程度上依赖于尖端光学和材料科学的研究和发展。”

参考文献:低机械损耗TiO2:地理2《降低引力波干涉仪热噪声的涂料》作者:Gabriele Vajente, Le Yang, Aaron Davenport, Mariana Fazio, Alena Ananyeva, Liyuan Zhang, Garilynn Billingsley, Kiran Prasai, Ashot Markosyan, Riccardo Bassiri, Martin M. Fejer, Martin Chicoine, François Schiettekatte和Carmen S. Menoni物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.071101

这项研究由美国国家科学基金会和戈登·贝蒂·摩尔基金会资助。

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