Analytical estimates of core optics stray light noise and design requirements for ground based gravitational wave detectors

Diep in de stilte van het universum reizen rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd over miljarden lichtjaren, dragend met zich mee de fluisteringen van botsende zwarte gaten en neutronensterren. Om deze fluisteringen te horen, hebben wetenschappers instrumenten gebouwd ter grootte van kleine steden, waarbij lasers worden gebruikt om afstanden te meten met een precisie die onmogelijk lijkt. Deze machines, bekend als detectoren voor zwaartekrachtgolven, werken door een lichtstraal te splitsen en deze door twee lange tunnels te sturen. Als er een zwaartekrachtgolf voorbijkomt, rekt de ene tunnel uit en wordt de andere samengedrukt met een afstand die kleiner is dan de breedte van een enkel atoom. De uitdaging is dat het universum luidruchtig is. De grond trilt, de lucht vibreert en zelfs het licht zelf kan zich onvoorspelbaar gedragen. Om het kosmische signaal te horen, moet het instrument stiller zijn dan het lawaai om zich heen.

Een van de meest hardnekkige bronnen van dit lawaai is strooiend licht. Stel je een lichtstraal voor die door een tunnel reist. Als zelfs een minuscuul fractie van dat licht een wand, een schroef of een stofje raakt en terugkaatst in de hoofdstraal, creëert dat een probleem. Dit terugkerende licht draagt een geheugen met zich mee van waar het tegenaan botste. Als het oppervlak dat het raakte bewoog—zelfs maar een heel klein beetje door de natuurlijke trillingen van de aarde—dan zal het terugkerende licht net even uit de pas lopen met de hoofdstraal. Wanneer deze twee stralen elkaar ontmoeten, interfereren ze, waardoor een signaal ontstaat dat precies lijkt op een zwaartekrachtgolf, ook al is het slechts een spookbeeld van de eigen trilling van de machine. Voor de volgende generatie van deze detectoren, die veel gevoeliger zullen zijn dan de huidige, zou dit strooiende licht precies de signalen kunnen overstemmen die wetenschappers proberen te vinden.

Een team onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit lawaai te voorspellen en te beheersen nog voordat de machines daadwerkelijk gebouwd zijn. In plaats van te wachten tot er een prototype op volledige schaal is gebouwd om vervolgens elke mogelijke manier waarop licht kan verstrooien te meten, hebben zij een reeks wiskundige instrumenten ontwikkeld die fungeren als een blauwdruk voor stilte. Deze instrumenten stellen ingenieurs in staat om naar een voorgesteld ontwerp te kijken en direct te berekenen hoeveel licht er mag weerkaatsen op specifieke oppervlakken zonder de meting te verstoren. Het werk richt zich op de "core optics", het centrale hart van de detector waar de lasers worden gesplitst en weer samengevoegd, een gebied gevuld met spiegels, buizen en vacuümkamers dat bijzonder kwetsbaar is voor deze strooiende reflecties.

De onderzoekers deelden het probleem op in drie verschillende scenario's op basis van waar het strooiende licht tegenaan komt. Ten eerste is er de "smalle-hoek"-casus, waarbij licht verstrooit van oppervlakken die zeer dicht bij de hoofdspiegels liggen. Hierbij doet de afstand er minder toe dan de kwaliteit van het oppervlak en hoeveel van dat oppervlak wordt verlicht. Ten tweede is er "voorwaartse verstrooiing", waarbij licht door de lange buizen reist die de spiegels met elkaar verbinden en de wanden of baffles onderweg raakt. In dit scenario worden de grootte van de buis en de hoek van het licht de kritieke factoren. Ten slotte is er "breed-hoekverstrooiing", waarbij licht oppervlakken raakt die ver van het hoofdpad liggen, zoals de wanden van de kamer of de tafel waarop de apparatuur staat. De onderzoekers ontdekten dat voor deze verre oppervlakken de afstand tot de lichtbron de belangrijkste factor is; oppervlakken die zelfs maar iets dichter bij de straal liggen, zijn veel gevaarlijker dan die verder weg zijn.

Om deze instrumenten bruikbaar te maken voor het aanstaande Cosmic Explorer-project, een voorgestelde detector van de derde generatie, paste het team hun formules toe op een realistisch ontwerp. Ze ontdekten dat de regels voor het beheersen van strooiend licht niet alleen gaan over het gladder of schoner maken van oppervlakken; ze zijn diep verbonden met hoe de machine is gebouwd en hoe deze beweegt. Als een oppervlak dat strooiend licht reflecteert stevig aan de grond is bevestigd, zal het trillen met de aarde, wat veel lawaai veroorzaakt. Echter, als datzelfde oppervlak is gemonteerd op een gesuspendeerde, geïsoleerde structuur die synchroon beweegt met de hoofdspiegels, verdwijnt het lawaai. De onderzoekers toonden aan dat het verbeteren van de mechanische isolatie van deze oppervlakken net zo effectief kan zijn als het verbeteren van de optische kwaliteit van de spiegels zelf.

De studie onderzocht ook "ghost beams", die verschillen van de willekeurige verstrooiing van strooiend licht. Ghost beams zijn als laserpointers die van een spiegel afketsen, een wand raken en in een voorspelbare, rechte lijn terugkaatsen. Omdat deze stralen zo direct zijn, kunnen ze veel energie terug de detector in voeren. Het team kwam tot de conclusheid dat het simpelweg plaatsen van een lichtabsorberende doos, of "beam dump", in het pad van deze ghosts niet voldoende is. De vorm van de doos en de hoek waaronder het licht erin valt, doen er enorm toe. Als de doos de vorm van een V heeft, kan het licht tussen de twee zijden heen en weer kaatsen en direct naar de bron terugkeren, wat een krachtige echo creëert. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om aan te tonen dat een V-vormige doos met een specifieke hoek dit licht kan vangen, maar als de hoek ook maar iets afwijkt, kan het licht ontsnappen en problemen veroorzaken. Zij concludeerden dat het beste ontwerp een combinatie vereist van een laag-reflecterende coating, een specifieke geometrische vorm en zorgvuldige plaatsing om ervoor te zorgen dat het licht wordt geabsorbeerd in plaats van teruggekaatst naar de bron.

Door deze nieuwe regels toe te passen op het Cosmic Explorer-ontwerp, stelde het team specifieke limieten vast voor hoeveel licht er door verschillende onderdelen van de machine kan worden verstrooid. Ze ontdekten dat voor oppervlakken die ver van de hoofdstraal af liggen, standaardmaterialen goed genoeg kunnen zijn, zelfs als ze niet perfect geïsoleerd zijn. Echter, voor oppervlakken die dicht bij de spiegels liggen, zijn de eisen veel strenger, waarbij vaak zowel hoogwaardige optische coatings als mechanische isolatie nodig zijn. Voor de krachtige ghost beams zijn de eisen nog veeleisender, wat suggereert dat de beam dumps met extreme zorg ontworpen moeten worden om elke kans te vermijden dat het licht terugkeert naar het hoofdpad.

Dit werk biedt een vitale gids voor de ingenieurs die de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren zullen bouwen. Het verplaatst het gesprek van vage ideeën over "dingen schoonhouden" naar precieze, actiegerichte vereisten. De onderzoekers toonden aan dat ruisonderdrukking niet alleen een optisch probleem of een mechanisch probleem is, maar een combinatie van beide. Door te begrijpen hoe de beweging van een oppervlak interacteert met het pad van een strooiend foton, kunnen ontwerpers slimmere keuzes maken over waar ze baffles plaatsen, hoe ze spiegels ophangen en wat voor soort beam dumps ze gebruiken. Deze instrumenten zorgen ervoor dat wanneer de Cosmic Explorer wordt ingeschakeld, hij stil genoeg zal zijn om de zwakste fluisteringen van het universum te horen, onbedekt door het lawaai van zijn eigen constructie.