Новая система FROSTI увеличит мощность LIGO для поиска гравитационных волн
Ученые разработали новое устройство для коррекции волнового фронта лазера, которое позволит обсерватории LIGO и будущим детекторам гравитационных волн увеличить чувствительность и дальность обзора примерно в десять раз. Гравитационные волны, представляющие собой крошечные колебания пространства-времени от таких космических катаклизмов, как слияния черных дыр, облачны чрезвычайно слабой амплитудой. Их обнаружение требует использования невероятно точных инструментов, подобных LIGO, который является одной из самых чувствительных экспериментальных установок в мире.
Однако существует фундаментальное препятствие для повышения чувствительности. Чтобы зафиксировать более слабые сигналы из дальних уголков Вселенной, LIGO нуждается в более мощных лазерах. Но увеличение мощности приводит к тому, что лазерный луч начинает слегка деформировать зеркала интерферометра. Даже искривления, меньшие, чем размер протона, способны помешать регистрации гравитационных волн. Команда исследователей нашла решение этой проблемы, создав систему под названием FROSTI, которая открывает новую эру в изучении космоса.
Как пояснил один из авторов разработки, физик из Калифорнийского университета в Риверсайде Джонатан Ричардсон, повышение мощности лазера разрушает хрупкие квантовые состояния, необходимые для улучшения четкости сигнала. Новая технология решает это противоречие, гарантируя, что оптика остается неискаженной даже при уровнях мощности в мегаватты. Зеркала LIGO имеют 34 сантиметра в ширину, 20 сантиметров в толщину и весят 40 килограммов. Когда через них проходят лазерные лучи мегаваттной мощности, что примерно в пять раз выше текущего показателя обсерватории, зеркала нагреваются неравномерно. Это создает микроскопические бугорки и впадины на их поверхности, что снижает чувствительность всего инструмента.
FROSTI, что расшифровывается как «облучатель передней поверхности», корректирует эти искажения с помощью кольца нагревательных элементов, которые проецируют на поверхность зеркала контролируемый тепловой рисунок. Это позволяет целенаправленно изменять форму зеркала, сглаживая деформации, и при этом вносит минимальный уровень собственных шумов. Несмотря на свое «холодное» название, FROSTI работает за счет аккуратного нагрева поверхности зеркала, но таким образом, что возвращает ему исходную идеальную оптическую форму. Система функционирует в условиях сверхвысокого вакуума LIGO, не загрязняя драгоценные зеркала. Испытания прототипа показали, что он способен работать с очень высокой лазерной мощностью, корректировать сложные искажения и устойчив к незначительной расцентровке луча. Используя тепловое излучение, устройство создает индивидуальную картину нагрева, которая сглаживает искажения, не создавая при этом избыточного шума, который можно было бы принять за гравитационную волну.
В настоящее время FROSTI адаптирован для 40-килограммовых зеркал LIGO, но технология может быть масштабирована и для более тяжелых 440-килограммовых зеркал, которые планируется использовать в будущих детекторах, таких как Cosmic Explorer. Благодаря FROSTI обсерватории гравитационных волн смогут обнаруживать более слабые и далекие события, что увеличит наблюдаемый объем Вселенной примерно в десять раз. Это позволит астрономам регистрировать миллионы слияний черных дыр и нейтронных звезд, а также множество других загадочных космических явлений, которые сегодня остаются недоступными для наблюдения. Подобные открытия кардинально расширят наше понимание самых экстремальных явлений во Вселенной. Как отметил Джонатан Ричардсон, текущий прототип является лишь началом работы, и ученые уже проектируют новые версии системы, способные корректировать еще более сложные оптические искажения. Эта разработка закладывает научно-технический фундамент для гравитационно-волновой астрономии на следующие двадцать лет.
Исследование было опубликовано в научном журнале .