LIGO sẽ tăng gấp đôi năng lực dò

Việc điểm được sóng hấp dẫn mỗi giờ sẽ thành hiện thực vào thập kỷ tới. Bắt đầu vào năm 2023, LIGO sẽ trải qua một cuộc nâng cấp đáng kể nhất kể từ năm 2015. Các tổ chức đầu tư cho khoa học của Anh và Mỹ mới loan báo thông tin này vào ngày 14/2/2019.

Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ đang đóng góp 20,4 triệu USD cho dự án đài quan trắc Advanced LIGO Plus (ALIGO+), và Cơ quan Nghiên cứu và đổi mới sáng tạo Anh cung cấp một khoản trị giá 10,7 triệu bảng (13,7 triệu USD), cùng với một khoản đóng góp nhỏ của Australia. Việc nâng cấp ở cả hai địa điểm LIGO là Washington và Louisiana, sẽ bao gồm việc bổ sung thêm một buồng quang học chân không siêu cao dài 300m. Nó sẽ giúp các nhà khoa học có thể thao tác trên các tính năng lượng tử của các chùm tia laser tại trung tâm của hệ dò LIGO và cắt giảm tiếng ồn.

LIGO bao gồm cả các giao thoa kế hình chữ L tại Hanford, Washington, và Livingston, Louisiana, với mỗi cánh tay dài 4km. Đợt vận hành đầu tiên từ năm 2002 đến 2010, sau đó được tái khởi động vào năm 2015 sau những nâng cấp đắt đỏ.

Đài quan trắc này đã có kết quả dò đầu tiên vào tháng 9/2015 – sóng hấp dẫn từ một cuộc sáp nhập hai lỗ đen. Nó cũng mới bắt được tín hiệu từ 10 cuộc sáp nhập lỗ đen, cộng thêm một cuộc sáp nhập của hai ngôi sao neutron. LIGO đã trải qua những cuộc cải tiến định kỳ và giờ đang tái mở lại sau một đợt nâng cấp được thiết kế để nâng cao độ nhạy lên 50%.

Nâng cấp hệ thống

Nhưng những nâng cấp ALIGO+ sẽ có rất nhiều nét kịch tính. Nếu mọi chuyện theo đúng kế hoạch, LIGO sẽ có khả năng dò được các cuộc sáp nhập của sao neutron xảy ra trong vòng 325 megaparsecs (khoảng 1 tỷ năm ánh sáng) trái đất, Ken Strain – một nhà vật lý tại trường đại học Glasgow, Anh và lãnh đạo một liên doanh các trường đại học Anh đang chờ đợi sẽ nhận được nhiều kinh phí tài trợ của quốc gia này, cho biết. Có thể là gần gấp đôi thiết kế độ nhạy của 173 megaparsecs mà LIGO chờ đợi trước khi nâng cấp ALIGO+.

LIGO hiện đang sẵn có khả năng điểm được các lỗ đen cách hàng tỷ parsecs. Vào năm 2022, nó có thể dò được lỗ đen mỗi ngày và việc nâng cấp ALIGO+ có thể thúc đẩy độ nhạy lên mức cao hơn là cứ vài giờ sẽ dò được một sự kiện vũ trụ.

Những thay đổi này sẽ làm tăng chất lượng của các đợt quan sát, không chỉ ở tần suất phát hiện, cựu giám đốc LIGO Barry Barish cho biết tại một cuộc họp báo ở Washington DC. Ví dụ, việc cắt giảm tiếng ồn sẽ giúp các nhà khoa học biết về các lỗ đen quay trước khi chúng sát nhập như thế nào, vốn có thể cung cấp manh mối về lịch sử sáp nhập của chúng. “Nó sẽ trao cho anh năng lực để đo đạc nhiều điều mà giờ anh không thể thực hiện được”, Barish nói. Ông là nhà vật lý tại Viện Công nghệ California ở Pasadena và chia sẻ giải Nobel vật lý 2017 về chiến công dò được sóng hấp dẫn cùng hai đồng nghiệp khác.

Cắt giảm tiếng ồn

Các giao thoa kế sóng hấp dẫn hoạt động bằng việc so sánh liên tục độ dài của hai cánh tay của nó. Chúng làm được điều đó bởi các chùm tia laser bật nhảy giữa các cặp gương tại điểm cuối mỗi cánh tay, và sau đó khiến hai chùm tai phủ lấy một điểm trung tâm và chồng lên nhau. Trong lúc chưa có sóng hấp dẫn, sự giao động điện từ của các chùm tia được triệt tiêu. Nhưng nếu không – thời gian bị nhiễu và các cánh tay thay đổi độ dài, các chùm tia laser không còn triệt tiêu lẫn nhau nữa và một cảm biến bắt đầu dò.
Trong thực tế, các tấm gương không thể giữ được độ miễn nhiễm hoàn hảo với rung động nhiệt và địa chấn. Dẫu sao, bản thân tia laser cũng tạo ra tiếng ồn, vì bản chất ngẫu nhiên của vật lý lượng tử. Các nhà khoa học của LIGO đã phát triển các kỹ thuật tinh vi để cắt giảm những nguồn phát tiếng ồn này và trích xuất được những tín hiệu từ bất kỳ tiếng ồn nào.

Việc nâng cấp LIGO này đang gần hoàn tất, bao gồm cả thực hiện một kỹ thuật có tên gọi là ánh sáng ép, vốn được các giao thoa kế Virgo ở gần Pisa, Ý áp dụng. Hệ ánh sáng ép của LIGO sẽ cắt giảm các dao động trong số lượng của các photon chạm tới cảm biến ánh sáng nhưng làm tăng cách các chùm tia đẩy tới những tấm gương xung quanh. Giống như không khí trong một tấm nệm không khi bị phồng một phần, âm thanh lượng tử có thể không hoàn bị loại bỏ mà chỉ chuyển vòng xung quanh.

Đợt cải tiến ALIGO+ sẽ giới thiệu kỹ thuật “ép phụ thuộc tần suất”. Có khả năng các giao thoa kế giảm bớt được cả áp suất lên các tấm gương và những biến động photon cùng một thời gian. Những cải tiến khác sẽ bao gồm những chiếc gương mới với các lớp phủ tiên tiến, vốn được chờ đợi là giảm tiếng ồn nhiệt xuống 4 lần.