Технология обнаружения гравитационных волн готова совершить значительный скачок вперёд благодаря достижениям в области приборостроения под руководством физика Джонатана Ричардсона из Калифорнийского университета в Риверсайде.
В статье, опубликованной в журнале Optica, сообщается об успешной разработке и тестировании FROSTI — полномасштабного прототипа для управления лазерными волновыми фронтами при экстремальных уровнях мощности внутри лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO).
LIGO — это обсерватория, которая обнаруживает гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, вызванную массивными ускоряющимися объектами, такими как сливающиеся чёрные дыры. Она первой подтвердила их существование, поддержав теорию относительности Эйнштейна. LIGO использует два лазерных интерферометра длиной 4 км в Вашингтоне и Луизиане для регистрации этих сигналов, открывая новое окно во Вселенную и углубляя наше понимание чёрных дыр, космологии и экстремальных состояний материи.
Зеркала LIGO являются одними из наиболее точных и тщательно разработанных компонентов обсерватории. Каждое зеркало имеет диаметр 34 см, толщину 20 см и весит около 40 кг. Зеркала должны оставаться абсолютно неподвижными, чтобы фиксировать искажения в пространстве-времени, меньшие, чем 1/1 000 диаметра протона. Даже малейшая вибрация или возмущение окружающей среды могут заглушить сигнал гравитационной волны.
«В основе нашей инновации лежит новое устройство адаптивной оптики, предназначенное для точной коррекции поверхностей основных зеркал LIGO при мощности лазера, превышающей 1 мегаватт — более чем в миллиард раз сильнее, чем у обычной лазерной указки, и почти в пять раз больше мощности, которую LIGO использует сегодня», — сказал Ричардсон, доцент кафедры физики и астрономии. «Эта технология открывает новый путь в будущее гравитационно-волновой астрономии. Это решающий шаг на пути к созданию детекторов следующего поколения, таких как Cosmic Explorer, который позволит заглянуть глубже во Вселенную, чем когда-либо прежде».
FROSTI, сокращение от FROnt Surface Type Irradiator, представляет собой прецизионную систему управления волновыми фронтами, которая противодействует искажениям, вызванным интенсивным лазерным нагревом в оптике LIGO. В отличие от существующих систем, которые могут вносить только грубые корректировки, FROSTI использует сложную систему тепловой проекции для внесения точных корректировок более высокого порядка. Это имеет решающее значение для точности, необходимой в будущих детекторах.
Несмотря на своё ледяное название, FROSTI работает путём тщательного нагрева поверхности зеркала, но таким образом, чтобы восстановить его первоначальную оптическую форму. Используя тепловое излучение, он создаёт индивидуальный тепловой рисунок, который сглаживает искажения, не создавая при этом избыточного шума, который мог бы имитировать гравитационные волны.
Гравитационные волны были впервые обнаружены LIGO в 2015 году, открыв новую эру в астрономии. Но чтобы полностью реализовать их потенциал, будущие детекторы должны иметь возможность наблюдать более удалённые события с большей ясностью.
«Это означает расширение границ как мощности лазера, так и точности на квантовом уровне», — сказал Ричардсон. «Проблема в том, что увеличение мощности лазера имеет тенденцию разрушать тонкие квантовые состояния, на которые мы полагаемся для улучшения чёткости сигнала. Наша новая технология решает эту проблему, гарантируя, что оптика остаётся неповреждённой даже при уровнях мощности в мегаватт».
Технология поможет расширить гравитационно-волновое представление Вселенной в 10 раз, потенциально позволяя астрономам обнаруживать миллионы слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд по всему космосу с беспрецедентной точностью.
Ожидается, что FROSTI сыграет решающую роль в LIGO A#, запланированной модернизации, которая послужит путём к созданию обсерватории следующего поколения, известной как Cosmic Explorer. Хотя текущий прототип был протестирован на 40-килограммовом зеркале LIGO, технология масштабируема и в конечном итоге будет адаптирована к 440-килограммовым зеркалам, предусмотренным для Cosmic Explorer.
«Текущий прототип — это только начало», — сказал Ричардсон. «Мы уже разрабатываем новые версии, способные корректировать ещё более сложные оптические искажения. Это основа исследований и разработок для следующих 20 лет гравитационно-волновой астрономии».
Ричардсон участвовал в исследовании вместе с учёными из UCR, MIT и Caltech.
Предоставлено: [University of California — Riverside](https://phys.org/partners/university-of-california—riverside/)