Cercetătorii australieni dezvoltă acoperiri optice ultra-precise pentru detectoarele de unde gravitaționale
Cercetătorii de la Universitatea Națională Australiană (ANU) au realizat acoperiri optice de înaltă precizie pentru două separatoare de fascicul destinate LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), colaborarea globală care detectează undele gravitaționale provenite din ciocnirile găurilor negre și ale stelelor neutronice. Timp de trei ani, echipa ANU a dezvoltat și aplicat aceste acoperiri avansate, ca parte a unui upgrade menit să permită detectarea undelor gravitaționale cu o sensibilitate superioară.
Contribuția Australiei la LIGO este coordonată prin OzGrav, Centrul de Excelență ARC pentru Descoperirea Undelor Gravitaționale. Undele gravitaționale — mici ondulații ale spațiu-timpului generate de unele dintre cele mai puternice evenimente din univers — au fost prezise de Albert Einstein acum mai bine de un secol și au fost detectate direct pentru prima dată în 2015, deschizând o nouă cale de studiere a universului.
Precizie de câțiva atomi
Steve Madden, profesor la Școala de Fizică a ANU și director al hub-ului OptoFab ACT din cadrul Facilității Naționale Australiene de Fabricație (ANFF), a declarat că acestea sunt printre cele mai exacte și precise acoperiri realizate vreodată. „Am petrecut trei ani în cercetare și dezvoltare foarte dificilă și am pus suflet în construirea acestor optici”, a spus Madden. „Ne dorim foarte mult ca această contribuție australiană să producă rezultate excelente pentru știința internațională.”
Robert Ward, profesor și director al Centrului de Astrofizică Gravitațională al ANU, o structură comună a Școlii de Fizică și a Școlii de Astronomie și Astrofizică, a afirmat că proiectul a împins optica de precizie la niveluri fără precedent. „Ai nevoie de o precizie de măsurare extraordinară, de procese foarte strict controlate și de o uniformitate extremă a grosimii stratului pentru a construi aceste componente”, a explicat Ward. „Acoperim acest sticlă cu o precizie de un nanometru sau doi pe aproape jumătate de metru — o diferență de câțiva atomi de la o margine la alta.”
Divizarea luminii pentru a releva undele gravitaționale
Detectarea undelor gravitaționale necesită măsurarea unor variații de distanță de aproximativ o milionime de bilionime din lățimea unui fir de păr uman, folosind un fascicul laser extrem de pur ca riglă de precizie. Orice modificare minusculă produsă de o undă gravitațională care trece se reflectă în modelul de lumină rezultat.
Fiecare separator de fascicul este un disc de 45 de centimetri (18 inci) realizat din unul dintre cele mai pure tipuri de sticlă din lume, cântărind peste 20 de kilograme (44 de livre). Acoperirea de pe o față împarte fasciculul laser exact în două, în timp ce pe cealaltă față, o acoperire cu reflectivitate ultra-scăzută, de peste 1.000 de ori mai eficientă decât o acoperire obișnuită pentru lentile de ochelari, minimizează interferențele și îmbunătățește sensibilitatea detectorului. ANU este unul dintre doar două grupuri din lume capabile să producă aceste acoperiri la standardele exigente cerute de detectarea undelor gravitaționale.
Sisteme personalizate pentru precizie la scară atomică
Deon Hickey, de la ANFF OptoFab ACT, a declarat că atingerea preciziei necesare a implicat dezvoltarea unor abordări complet noi de fabricare și măsurare. „Fiecare componentă care intră în acest detector este împinsă la limita absolută”, a spus Hickey. „Nu există multe mașini în lume care pot îndeplini cerințele, așa că a trebuit să ne construim propriul echipament și să găsim soluții noi la probleme.”
Echipa a avut nevoie să controleze grosimea acoperirilor cu o acuratețe de aproape un singur strat atomic pe întreaga suprafață, asigurând în același timp că optica rămâne extrem de curată și lipsită de defecte microscopice. Pentru aceasta, cercetătorii au dezvoltat opt sisteme automate personalizate pentru curățarea, măsurarea și manipularea componentelor delicate fără contact uman.
Proiectul a reunit expertiză din întreaga ANU, inclusiv din Școala de Fizică, Centrul de Astrofizică Gravitațională și nodul ANFF OptoFab ACT. Lucrarea a fost finalizată în noua cameră curată a Școlii de Fizică a ANU, unde cerințele de curățenie corespund celor utilizate în facilitățile avansate de fabricare a semiconductorilor.
Detectoarele modernizate vor ajuta cercetătorii să identifice mai multe evenimente de unde gravitaționale, inclusiv semnale mai slabe provenite din depărtare, și să studieze în mai mare detaliu comportamentul unora dintre cele mai misterioase obiecte din univers.
