Технология обнаружения гравитационных волн может совершить большой скачок вперед благодаря усовершенствованию оборудования под руководством физика Джонатана Ричардсона из Калифорнийского университета в Риверсайде. В статье с подробным описанием изобретения, опубликованной в журнале Optica, сообщается об успешной разработке и тестировании FROSTI — полномасштабного прототипа для управления лазерными волнами на экстремальных уровнях мощности внутри лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO).
LIGO — это обсерватория, которая регистрирует гравитационные волны — колебания пространства-времени, вызванные массивными ускоряющимися объектами, такими как сливающиеся черные дыры. Она первой подтвердила их существование, еще раз доказав тем самым правильность теории относительности Эйнштейна. LIGO использует два лазерных интерферометра длиной 4 км в штатах Вашингтон и Луизиана для регистрации этих сигналов, открывая новое окно во Вселенную и углубляя наше понимание черных дыр, космологии и экстремальных состояний материи.
Зеркала LIGO — одни из самых точных и тщательно спроектированных компонентов обсерватории. Каждое зеркало имеет диаметр 34 см, толщину 20 см и весит около 40 кг. Зеркала должны оставаться абсолютно неподвижными, чтобы улавливать искажения в пространстве-времени размером менее 1/1000 диаметра протона. Даже малейшая вибрация или воздействие окружающей среды могут заглушить сигнал гравитационных волн.
В основе инновации Ричардсона лежит новое устройство адаптивной оптики, предназначенное для точного изменения формы поверхностей основных зеркал LIGO с помощью лазера мощностью более 1 МВт. Это более чем в миллиард раз мощнее обычной лазерной указки и почти в пять раз мощнее того, что используется в LIGO сегодня. Эта технология открывает новые возможности для будущей гравитационно-волновой астрономии. Это важнейший шаг на пути к созданию детекторов следующего поколения, таких как Cosmic Explorer, которые позволят заглянуть в неизведанные глубины Вселенной.
FROSTI, сокращенно от FROnt Surface Type Irradiator, представляет собой прецизионную систему управления чувствительной фронтальной поверхностью. Она противодействует искажениям, вызванным интенсивным лазерным нагревом оптики LIGO. В отличие от существующих систем, которые могут производить только грубую настройку, FROSTI использует сложную систему тепловизионной проекции для точной корректировки более высокого порядка. Это имеет решающее значение для точности детекторов.
Несмотря на свое «ледяное» название (frost по-английски «мороз»), FROSTI работает за счет осторожного нагрева поверхности зеркала, но таким образом, чтобы вернуть ему первоначальную оптическую форму. Используя тепловое излучение, система создает индивидуальную схему нагрева, которая сглаживает искажения, не создавая постороннего фона, который мог бы имитировать гравитационные волны.
Гравитационные волны были впервые обнаружены обсерваторией LIGO в 2015 году, что положило начало новой эре в астрономии. Но чтобы полностью раскрыть их потенциал, будущие детекторы должны с еще большей точностью отслеживать удаленные события.
По словам Ричардсона это означает, что нужно расширять границы как мощности лазера, так и точности настройки на квантовом уровне. Проблема в том, что увеличение мощности лазера приводит к разрушению хрупких квантовых состояний, на которые разработчики полагаются при повышении четкости сигнала. Новая технология решает эту проблему, обеспечивая стабильность оптики даже при мегаваттных уровнях мощности.
По мнению автора технология поможет расширить возможности гравитационно-волнового наблюдения за Вселенной в 10 раз, что потенциально позволит астрономам с беспрецедентной точностью фиксировать миллионы случаев слияния черных дыр и нейтронных звезд по всей Вселенной.
Ожидается, что FROSTI сыграет ключевую роль в LIGO A# — запланированном обновлении, которое станет прообразом обсерватории следующего поколения Cosmic Explorer. Хотя текущий прототип был протестирован на 40-килограммовом зеркале LIGO, технология масштабируема и в конечном итоге будет адаптирована для 440-килограммовых зеркал, которые планируется использовать в Cosmic Explorer.
Нынешний прототип — это только начало. Мы уже разрабатываем новые версии, способные корректировать еще более сложные оптические искажения. Это основа для исследований и разработок в области гравитационно-волновой астрономии на ближайшие 20 лет.Джонатан Ричардсон
О роли гравитационно-волновых обсерваторий в поиске слияний черных дыр читайте в материале на Hi-Tech Mail.