Физики научились очищать сигнал гравитационных волн от лазерного шума

Длиннобазовые атомные интерферометры считаются одним из самых многообещающих инструментов для детектирования гравитационных волн и поиска темной материи. В таких установках лазеры расщепляют облака ультрахолодных атомов, а затем сводят их обратно, регистрируя малейшие различия в их поведении. Любая аномалия может указывать на прохождение гравитационной волны или влияние поля темной материи.

Однако у этого метода есть серьезный недостаток: сам лазер создает шум, который может полностью перекрыть искомый сигнал. До сих пор это было главным препятствием для использования атомных интерферометров в гравитационно-волновой астрономии.

Как два прибора лучше одного

Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили сравнивать результаты работы двух пространственно разделенных интерферометров. Вместо того чтобы полагаться на один прибор, они одновременно измеряют два облака ультрахолодного стронция-87, облучаемые одним и тем же сверхстабильным часовым лазером. Поскольку шум от лазера одинаково влияет на оба облака, его можно вычесть, выявляя истинные сигналы.

Для проверки концепции ученые создали настольный прототип сенсора, имитирующий условия гораздо более крупных экспериментов. Они намеренно добавили в систему шум, значительно превышающий естественный — примерно такой, какой наблюдается в детекторах с длинной базой, используемых для поиска гравитационных волн. По отдельности каждый интерферометр не давал полезных данных: шум полностью заглушал сигнал.

Однако при сравнении двух наборов данных физики смогли восстановить четкий сигнал. Совместное измерение достигло фундаментального предела точности, установленного квантовой физикой. «Это доказывает, что подавление лазерного шума работает так, как нам требуется», — отметили авторы работы.

Перспективы для новых открытий

Затем исследователи ввели в систему дополнительный осциллирующий сигнал, похожий на тот, что могла бы создать проходящая гравитационная волна или поле темной материи. Даже при условии, что данные отдельного интерферометра не содержали полезной информации, комбинированный анализ позволил зарегистрировать этот сигнал уверенно.

Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature, показывают, что метод применим в реалистичных условиях и может стать ключевым для атомных интерферометрических установок нового поколения. В будущем такие детекторы смогут исследовать ранее недоступные частотные диапазоны гравитационных волн и искать новые формы материи, открывая неизученное окно во Вселенную.

Работа демонстрирует, что даже в условиях, когда одиночные инструменты бесполезны из-за шума, согласованное использование двух приборов позволяет получить достоверные данные. Это открывает путь к созданию чувствительных гравитационно-волновых обсерваторий на новых принципах.