Новый прорыв в инструментарии гравитационно-волновых детекторов, достигнутый под руководством физика Джонатана Ричардсона из Калифорнийского университета в Риверсайде, обещает значительно повысить их производительность. Речь идет о системе «FROSTI», которая позволит обсерватории LIGO и будущим детекторам работать на мегаваттных мощностях лазерного излучения без потери качества сигнала. Эта инновация значительно расширит возможности по обнаружению слияний черных дыр и нейтронных звезд по всей Вселенной. Результаты исследования опубликованы в журнале Optica.
Обсерватория LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) занимается измерением гравитационных волн – едва уловимых колебаний пространственно-временного континуума, возникающих при столкновении массивных объектов, таких как черные дыры. Именно LIGO в 2015 году впервые напрямую зарегистрировала эти волны, подтвердив Общую теорию относительности Эйнштейна. С помощью двух четырехкилометровых лазерных интерферометров, расположенных в штатах Вашингтон и Луизиана, LIGO способна улавливать невероятно малые возмущения, предлагая ученым принципиально новый метод изучения черных дыр, космологии и материи в экстремальных условиях.
Ключевыми элементами LIGO являются зеркала, одни из самых технологически сложных компонентов в современной науке. Каждое зеркало весит около 40 кг, имеет 34 см в диаметре и 20 см в толщину. Чтобы обнаружить искажения в пространстве-времени, которые в тысячи раз меньше диаметра протона, эти зеркала должны оставаться абсолютно неподвижными. Даже мельчайшие вибрации или фоновый шум могут заглушить слабые сигналы гравитационных волн. Для повышения чувствительности детектора необходимо использовать более мощные лазеры, но это приводит к нагреву оптики и, как следствие, к искажению зеркал, снижая качество сигнала.
«В основе нашего инновационного подхода лежит новое адаптивное оптическое устройство, разработанное для точного изменения формы поверхностей главных зеркал LIGO при мощности лазера, превышающей 1 мегаватт – это более чем в миллиард раз мощнее обычного лазерного указателя и почти в пять раз больше той мощности, которую LIGO использует сегодня», – поясняет Джонатан Ричардсон, доцент физики и астрономии. Он добавляет, что эта технология открывает новые возможности для будущей гравитационно-волновой астрономии и является ключевым шагом к созданию детекторов нового поколения, таких как Cosmic Explorer, которые позволят «заглянуть» в глубины Вселенной дальше, чем когда-либо.
Система FROSTI (сокращение от FROnt Surface Type Irradiator) – это высокоточная система управления волновым фронтом, предназначенная для устранения искажений, возникающих при нагреве оптики LIGO интенсивным лазерным светом. Существующие аналоги могут выполнять лишь относительно грубую коррекцию, тогда как FROSTI использует более продвинутый метод тепловой проекции для внесения тонких, высокоточных корректировок в поверхностную геометрию зеркал. Такой уровень контроля критически важен для удовлетворения более высоких требований к производительности будущих детекторов. Вопреки своему «ледяному» названию, FROSTI работает путем очень контролируемого нагрева поверхности зеркала, возвращая его к идеальной оптической форме. Применяя тепловое излучение, система проецирует на зеркало тщательно рассчитанный тепловой узор, сглаживая оптические искажения и избегая при этом добавления шума, который можно было бы ошибочно принять за реальные гравитационно-волновые сигналы.
Первое обнаружение гравитационных волн обсерваторией LIGO в 2015 году ознаменовало начало новой эры в астрономии. Однако для полного использования этого нового способа наблюдения за Вселенной будущим детекторам необходимо видеть более далекие события и измерять их с большей четкостью. «Это означает расширение границ как лазерной мощности, так и квантовой точности, – подчеркивает Ричардсон. – Проблема в том, что увеличение мощности лазера, как правило, разрушает тонкие квантовые состояния, на которые мы полагаемся для повышения четкости сигнала. Наша новая технология решает эту дилемму, гарантируя, что оптика остается без искажений даже при мегаваттных уровнях мощности».
Ожидается, что с этим подходом новая технология расширит наблюдаемую гравитационно-волновую Вселенную в 10 раз. Такое увеличение охвата позволит астрономам регистрировать миллионы слияний черных дыр и нейтронных звезд на протяжении всей космической истории и изучать эти события с беспрецедентной детализацией. FROSTI станет ключевым компонентом запланированного обновления LIGO A#, которое послужит испытательным полигоном для обсерватории нового поколения, известной как Cosmic Explorer. Нынешний прототип был продемонстрирован на 40-килограммовом зеркале LIGO, но те же принципы могут быть масштабированы и адаптированы для гораздо более крупных 440-килограммовых зеркал, предложенных для Cosmic Explorer.
«Нынешний прототип – это только начало, – говорит Ричардсон. – Мы уже разрабатываем новые версии, способные корректировать еще более сложные оптические искажения. Это научно-исследовательская база для следующих 20 лет гравитационно-волновой астрономии». Исследование проведено Ричардсоном в сотрудничестве с учеными из UCR, MIT и Caltech и было поддержано грантом Национального научного фонда.
