Учёные нашли способ повысить дальность обнаружения гравитационных волн с помощью тепловизоров
Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали новый метод, который может существенно повысить дальность обнаружения гравитационных волн. Технология решает одну из ключевых проблем современных гравитационно-волновых обсерваторий — микроскопические деформации гигантских зеркал, возникающие из-за нагрева мощными лазерными лучами.
Метод, описанный в исследовании, опубликованном в журнале Classical and Quantum Gravity, использует тепловизионные изображения для выявления мельчайших искажений, вызванных лазерным излучением. Более точное измерение деформаций позволит обсерваториям, включая LIGO, повысить чувствительность и регистрировать более слабые и удалённые события во Вселенной.
«Цель детекторов гравитационных волн следующего поколения — достичь примерно в 10 раз большей чувствительности по сравнению с современными инструментами. Одним из главных препятствий на этом пути является необходимость уменьшить фундаментальный квантово-механический шум, ограничивающий точность измерений», — рассказал руководитель исследования, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде Джонатан Ричардсон.
Даже сверхчистые зеркала деформируются от нагрева
LIGO регистрирует гравитационные волны — колебания пространства-времени, возникающие при ускоренном движении массивных объектов, — измеряя изменения расстояния, которые меньше ширины протона. Для этого лазерные лучи проходят через плечи обсерватории длиной 4 километра, а их мощность может приближаться к 1 мегаватту.
Зеркала LIGO относятся к числу самых чистых оптических компонентов, когда-либо созданных человеком, однако они всё же поглощают небольшую часть лазерного излучения. Возникающее при этом тепло изменяет форму зеркал всего на несколько нанометров, но даже такая микроскопическая деформация слегка искажает лазерный луч и снижает чувствительность детектора.
Исследователи уже умеют компенсировать подобные деформации с помощью тщательно рассчитанных схем дополнительного нагрева зеркал. Однако для этого необходимо точно определить, каким образом конкретное зеркало изменилось под воздействием лазера.
Тепловизор позволяет восстановить форму искажений
Новый метод объединяет инфракрасные тепловые изображения поверхности зеркала с уже существующими измерениями волнового фронта и компьютерными моделями распространения тепла. Благодаря этому учёные могут восстановить оптические искажения по всей поверхности зеркала.
«Это можно сравнить с инфракрасной съёмкой автомобильного двигателя. Инженер может изучить распределение температуры на внешней поверхности и сделать вывод о происходящем внутри двигателя. Мы применяем тот же принцип к зеркалам LIGO», — объяснил Ричардсон.
Идея возникла во время неожиданного результата эксперимента, в котором группа Ричардсона испытывала новую систему адаптивной оптики на полноразмерном зеркале LIGO массой 40 килограммов. Изначально эксперимент был направлен на точное изменение формы поверхности зеркала.
«Мы обнаружили, что если знать температуру поверхности и иметь хорошую модель распространения тепла внутри оптического элемента, то можно точно восстановить внутренние оптические искажения. Именно этот неожиданный результат привёл нас к разработке нового метода измерений», — рассказал учёный.
Простое обновление может значительно увеличить дальность наблюдений
В отличие от многих других модернизаций LIGO, новый подход использует коммерчески доступные тепловизионные камеры, установленные снаружи интерферометра. Для работы системы не требуется создание принципиально новых приборов.
«Нужна лишь тепловизионная камера, которая уже соответствует современным коммерческим стандартам. Нам не пришлось разрабатывать новую технологию, что почти беспрецедентно для решения инструментальной проблемы LIGO», — отметил Ричардсон.
По оценкам исследователей, метод может повысить чувствительность по деформации будущей модернизации LIGO A+ на 31%. Это позволит обсерватории в среднем обнаруживать слияния двойных нейтронных звёзд примерно на 10 мегапарсеков, или около 33 миллионов световых лет, дальше.
Увеличение чувствительности даёт гораздо больший эффект, чем может показаться. Поскольку доступный для наблюдений объём Вселенной увеличивается пропорционально кубу расстояния, даже относительно небольшое повышение чувствительности способно привести к значительному росту числа регистрируемых гравитационно-волновых событий.
От LIGO к Cosmic Explorer
Разработанная технология также может стать частью базовой конструкции будущей американской гравитационно-волновой обсерватории Cosmic Explorer. Джонатан Ричардсон участвует в проекте в качестве руководителя разработки системы измерения и управления модами.
«LIGO станет испытательной площадкой. Мы разработаем и проверим эти методы во время следующих модернизаций, а затем используем полученный опыт для создания Cosmic Explorer», — сказал исследователь.
По словам учёного, новая работа закрывает важный пробел в технологиях, необходимых для будущих гравитационно-волновых детекторов. Исследователи получили не только способ компенсировать оптические деформации зеркал, но и практический метод точно измерять, какие именно корректировки необходимо применять.
В перспективе это может помочь гравитационно-волновым обсерваториям следующего поколения наблюдать более далёкие области Вселенной и регистрировать события, которые сегодня остаются слишком слабыми для обнаружения.
Исследование в журнале Classical and Quantum Gravity.