Yeni kütleçekim dalgası dedektörleri kara delikler ve nötron yıldızlarıyla ilgili cevaplanmamış soruların çözümüne yardımcı olacaksa, daha az gürültülü olmalıdır. Bu tür dedektörlerde yerçekimsel dalga kaynaklı uzunluk değişimlerini ölçmek için kullanılan yansıtıcı malzemelerin iyileştirilmesi gürültüyü azaltmanın bir yöntemidir. Gelecek vaat eden alternatif bir ayna malzemesi olan galyum arsenitten üretilen ince filmlerin ışığı yansıtma nitelikleri artık şaşırtıcı derecede gürültü gösteriyor. Deneylerde, gelecekteki yerçekimsel dalga dedektörlerinin hepsi olmasa da bazıları için dikkate alınan kriyojenik sıcaklıklar kullanıldı. Bu yeni gürültünün ayna tasarım kararları üzerinde bir etkisi olup olmayacağını belirlemek için daha fazla test yapılması gerekiyor.
Uçlarında son derece kararlı aynalar bulunan kilometrelerce uzunluktaki boşluklar olan interferometrelerde, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için ışık ileri geri yansıtılır. Yerçekimsel bir dalga dedektörden geçtiğinde aynalar arasındaki uzunluklar bir şekilde salınır. Genellikle cıvıltı olarak adlandırılan bu salınım seslerinin çoğunun uzak galaksilerdeki kara delik birleşmelerinden kaynaklandığı gösterilmiştir. Kara delik kütleleri ve spinleri cıvıltılar analiz edilerek belirlenebilir, ancak veriler aynı zamanda bir kara deliğin olay ufkuna yakın bölgeden yayılan kuantum-yerçekimi sinyalleri gibi ek bilgiler de içerebilir.
California Teknoloji Enstitüsü’nde ve LIGO Bilimsel İşbirliği’nde ayna teknolojisi konusunda araştırmacı olan Rana Adhikari’ye göre, “kara delik birleşmelerinin tespiti yeterli değildir.”
Adhikari son araştırmanın bir parçası değildi. “Kara delik ufkunun ne yaptığını gerçekten ‘dinlemek’ istiyoruz.”
Gelecekteki yerçekimsel dalga dedektörleri bu tür özellikleri gözlemlemek için ayna gürültüsünü azaltmayı amaçlıyor. İnterferometre boşluğu içinde ışığı yansıtmakla görevli ince film ayna kaplamaları şu anda bu gürültünün çoğunu oluşturuyor. Amorf metal oksitlerden yapılmış ayna kaplamaları, LIGO’da ve şu anda çalışmakta olan diğer yerçekimsel dalga dedektörlerinde kullanılan çok katmanlı yapılardır. Yerçekimsel dalga dedektörlerinin izlediği ayna-ayna mesafelerini etkileyen bir tür atomik titreşim olan Brownian termal gürültüsü, bu kaplamalardaki başlıca gürültü kaynaklarından biridir. Araştırmacılara göre, amorf malzemeyi kristalin bir malzeme ile değiştirmek Brownian termal gürültüsünü azaltmaya yardımcı olabilir.
Galyum arsenit umut verici bir kristal ayna maddesidir. Mühendisler galyum arsenit ve ilgili bir alaşım olan alüminyum galyum arseniti katmanlaştırarak yüksek yansıtıcılığa sahip kaplamalar üretebilirler. Kristal kaplama teknolojileri geliştiricisi Thorlabs Crystalline Solution’a göre bu kaplamalar, amorf kaplamalara kıyasla aynayla ilgili gürültüde en az 3 kat azalma sağladıkları küçük ölçekli, oda sıcaklığındaki interferometrelerde halihazırda kullanılıyor. Kilometre ölçekli interferometrelerde kullanılan devasa ayna ve ışın çapları göz önüne alındığında, bu kaplamaların ölçeklenebilirliği konusunda hala cevaplanmamış sorunlar bulunmaktadır.
Araştırmacılar bu sorunlardan bazılarına yanıt bulmak amacıyla 4 ila 124 K arasında değişen sıcaklıklarda tutulan kriyojenik olarak soğutulmuş bir interferometre sistemine yerleştirilen galyum arsenit kaplamalar üzerinde bir dizi hassas deney gerçekleştirdi. Yapılan araştırma yaptığı ultra-kararlı lazerler alanında, aynaları bu sıcaklıklara soğutmak bir gürültü azaltma tekniğidir. Yakın zamanda Japonya’da inşa edilen Kagra deneyi ve Avrupa’da kurulacak olan Einstein Teleskobu gibi yerçekimsel dalga dedektörlerinde de kriyojenik olarak soğutulmuş aynalar bir tasarım tercihidir.
Mevcut LIGO dedektörü, ABD’deki Cosmic Explorer gibi önerilen tasarımlar gibi oda sıcaklığında aynalar kullanmaktadır. LIGO Bilimsel İşbirliği, LIGO Voyager adı verilen gelecekteki bir yükseltme için kriyojenik olarak soğutulmuş aynaları araştırıyor.
Galyum arsenit kaplamalar, araştırmacıların kriyojenik deneylerinde öngörüldüğü gibi minimum Brownian termal gürültüsüne sahiptir. Araştırmacılar tarafından, hiçbiri beklenmeyen iki ek gürültü kaynağı daha bulundu. Işığın bir maddeyle nasıl etkileşime girdiğini etkileyen polarizasyona bağlı bir fenomen olan çift kırılma, ilk ekstra gürültü bileşeninin kaynağıdır. Hesaplamalarına göre, galyum arsenit filmler için polarizasyon bağımlılığı zamanla değişiyor ve bu da aynadan aynaya interferometre ölçümlerine gürültü katıyor.
Araştırmacılar, çift kırılma varyasyonlarının nedeni hala bilinmezken, kavitelerinde iki ortogonal lazer polarizasyonuna enerji vererek ve iki interferometrik sinyalin ortalamasını alarak gürültünün etkisini azaltabileceklerini gösterdiler.
İkinci gürültü katkısıyla ilgili daha fazla soru işareti var. Yu ve meslektaşlarına göre, lazer ışını boyutu değiştikçe eklenen gürültü miktarının sabit kalması, kaplamanın bir alanındaki değişikliklerin bir şekilde diğer, daha uzak alanlardaki değişikliklerle bağlantılı olduğunu gösteriyor. Bu tür bir “küresel” gürültü alışılmadık bir durumdur. Brownian termal gürültüsü diğer gürültü türlerine göre daha lokalize olduğundan, daha büyük ışınlar kullanılarak verilerin bir şekilde ortalaması alınabilir.
Ekip, bu yeni küresel gürültünün, kriyojenik sistemlerde amorf kaplamaların maruz kaldığı gürültü seviyelerinden daha büyük bir büyüklüğe sahip olabileceğini ve yeni nesil yerçekimi dalga dedektörleri için etkileri olabileceğini tahmin ediyor. Bununla birlikte, bu ön bulguların gelecekteki dedektör tasarımları için sonuçları olabileceğini belirten araştırmacı Yu, diğer frekanslarda, ışın genişliklerinde ve sıcaklıklarda daha fazla deneme yapılması gerektiğini belirtiyor. Yerçekimsel dalga topluluğuna ‘Hey, burada yeni bir şey var’ demek istiyoruz. Lütfen dikkatli olun” diye yalvarıyor.
Kütleçekimsel dalga topluluğunun yaptığı da tam olarak bu. Einstein Teleskobu temsilcisi Michele Punturo, “Potansiyel sonuçları araştırıyor ve değerlendiriyoruz” diye ekliyor. Punturo, galyum arsenitin dedektör tasarımı için potansiyel bir malzeme olduğunu, ancak başkalarının da bulunduğunu belirtiyor. Punturo, Einstein Teleskobu’nun başarılı olabilmesi için galyum arsenidin gerekli olmadığını ileri sürüyor.
Cole yeni gürültünün endişe verici olduğunu kabul ediyor, ancak şimdiye kadar sadece kriyojenik sıcaklıklarda kaydedildiğini belirtiyor. “Oda sıcaklığında polarizasyon sorunlarını gözlemlemiyoruz. Aslında, LIGO’nun şu anda çalıştığı oda sıcaklığı ayarlarında, galyum arsenit kaplamalar dielektrik kaplamalardan daha iyi çalışıyor.
Bu nedenle, LIGO Bilimsel İşbirliği Konseyi Başkanı Steven Penn’e göre, LIGO yakın gelecekte amorf kaplamalardan kristal kaplamalara potansiyel bir geçiş için hazırlanıyor. Penn, galyum arsenit kaplamalardaki gürültü seviyelerinin, LIGO A# tarafından önerilen oda sıcaklığındaki yükseltmenin şartlarını kolaylıkla karşıladığını iddia ediyor. “Her yeni çalışma alanında olduğu gibi, hala cevaplanmamış pek çok soru var. Ancak, [Ulusal Bilim Vakfı] kaplamaların önemli potansiyeli nedeniyle öne çıkan temel zorlukları araştırmamız için bize 1,1 milyon dolar verdi” diyor bilim adamı.
Adhikari hala daha kuşkulu. Şu anda oda sıcaklığında en umut verici malzemenin galyum arsenit olduğu konusunda hemfikir. Bununla birlikte, yeni gürültü katkılarının, yeni nesil dedektörler açısından ışın noktası üzerinde ortalama alma gibi azaltma stratejileri için sorunlara neden olabileceğine inanıyor. Yeni azaltma çözümlerinin ortaya çıkabileceğini ileri sürüyor, ancak aynı anda bir dizi kaplama olasılığının araştırılmasını savunuyor. Araştırmacılar, halihazırda kullanılanlardan daha az Brownian termal gürültüye sahip olduğu görülen yeni amorf çok katmanlı çeşitlerin yanı sıra galyum fosfit gibi diğer kristalli malzemeleri de inceliyor. Adhikari, deneyler zorluklarla karşılaştığında “zekânın ortaya çıktığını” kendinden emin bir şekilde iddia ediyor.
Kaynak: physics aps org/articles
