Thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn có thể đo độ biến dạng trong kết cấu của không-thời gian nhỏ bằng một phần nghìn tỷ chiều rộng của sợi tóc con người - đủ nhỏ để nghe thấy sự giao thoa của các hạt đi vào và thoát ra. Giờ đây, cơ sở LIGO đã vượt qua giới hạn lượng tử này bằng cách “ép” ánh sáng laser, qua đó tăng khả năng phát hiện sóng hấp dẫn lên khoảng 60%.
Khi các vật thể siêu lớn như lỗ đen va chạm vào nhau, năng lượng giải phóng đủ để tạo ra các gợn sóng xuyên qua thực tế. Einstein lần đầu tiên dự đoán những sóng hấp dẫn này cách đây hơn một thế kỷ, nhưng phải đến năm 2015, các nhà khoa học mới lần đầu tiên phát hiện ra chúng một cách trực tiếp.
Cơ sở chịu trách nhiệm cho phát hiện quan trọng này là Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), hoạt động bằng cách bắn ánh sáng laser vào hai đường hầm dài, bật ra khỏi gương và sau đó đo xem ánh sáng quay trở lại như thế nào. Bằng cách kiểm soát các hiệu ứng khác và quan sát cẩn thận, các máy dò có thể cảm nhận được những biến dạng nhỏ trong chùm tia laser – nhỏ hơn chiều rộng của một proton – cho thấy sóng hấp dẫn đã truyền qua. Trong những năm kể từ đó, LIGO và các máy dò khác đã thu được hàng chục tín hiệu sóng hấp dẫn.
Nhưng độ nhạy của các cơ sở này có giới hạn, được xác định bởi chính các định luật vật lý lượng tử. Mặc dù chân không (bao gồm cả chân không trong ống laser LIGO) thường được coi là không gian hoàn toàn trống rỗng, nhưng điều này là không thể đạt được. Biến động lượng tử có nghĩa là các hạt liên tục xuất hiện, tồn tại trong một phần giây và sau đó lại biến mất. Tiếng ồn lượng tử yếu này cản trở các quan sát của LIGO và đặt ra những giới hạn cứng rắn cho các quan sát.
Giờ đây, các nhà khoa học LIGO đã tìm ra và trình diễn một cách đạt được bước đột phá bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là ép lượng tử. Phương pháp này khai thác nguyên lý bất định, trong đó nêu rõ rằng bạn càng biết chính xác một đặc điểm của một đối tượng thì bạn sẽ càng kém chính xác về các đặc điểm khác. Ví dụ phổ biến nhất là một hạt nảy lên trong hộp - nếu bạn có thể đo chính xác vị trí của nó tại một thời điểm cụ thể, thì bạn biết ít hơn về động lượng của nó và ngược lại.
Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã vận dụng nguyên lý bất định để thu được nhiều thông tin hơn từ tia laser của LIGO bằng cách điều chỉnh hai đặc tính của ánh sáng - pha và biên độ. Các tinh thể đặc biệt được thêm vào đường ống trong quá trình nâng cấp năm 2019 sẽ "ép" pha ánh sáng để các photon đến cảm biến vào thời điểm dễ dự đoán hơn. Tất nhiên, điều này cũng sẽ làm giảm độ chắc chắn của biên độ, nghĩa là tia laser sẽ làm cho gương rung lên, che khuất mọi sóng hấp dẫn tần số thấp mà nó có thể phát hiện được.
Để giải quyết vấn đề này, một thiết bị mới đã được lắp đặt trên LIGO được gọi là khoang ép phụ thuộc tần số. Đúng như tên gọi, nguyên lý hoạt động của nó là nén ánh sáng có tần số khác nhau với các đặc tính khác nhau để đạt được hiệu quả tốt nhất của cả hai thế giới. Để phát hiện chính xác nhất sóng hấp dẫn, các nhà khoa học cần chắc chắn hơn về biên độ ở tần số thấp hơn và pha ở tần số cao hơn, và hệ thống này giờ đây có thể làm được điều đó.
Rana Adhikari, tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Trước đây, chúng tôi phải chọn nơi chúng tôi muốn LIGO chính xác hơn. Bây giờ, chúng tôi có thể cắt bánh và ăn mừng. Chúng tôi đã biết cách viết ra các phương trình để làm điều đó."
Bằng cách đẩy giới hạn lượng tử này, độ chính xác tăng lên sẽ cho phép LIGO phát hiện thêm 60% nhóm nghiên cứu cho biết. Đài quan sát đối tác của LIGO ở Ý cũng dự kiến sẽ bắt đầu sử dụng lực ép phụ thuộc tần số vào cuối năm tới. Nhóm nghiên cứu
mô tả công việc này trong video dưới đây.