Ученые разрабатывают лазерное вооружение для «захвата» гравитационных волн
Лазеры в космосе, Лазеры в науке 25.07.2019 Комментарии к записи Ученые разрабатывают лазерное вооружение для «захвата» гравитационных волн отключеныЗа почти четыре года работы детекторы LIGO и Virgo обнаружили гравитационные волны от слияния десяти пар черных дыр и одной пары нейтронных звезд. Максимальной чувствительности установки еще не достигли. Чтобы исследовать другие источники во Вселенной, искать реликтовый фон, темную материю, углубляться в раннюю историю Вселенной, их придется серьезно модернизировать — вплоть до полной перестройки. О новых поколениях гравитационно-волновых детекторов РИА Новости рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, лауреат Государственной премии в области науки и технологий, руководитель научной группы в коллаборации LIGO.
Ученые понимают, что нужна длинная база
В 1962 году советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт опубликовали статью, предложив не детектор типа цилиндра, а лазерный интерферометр Майкельсона. Ту же идею чуть позже стали развивать американские ученые — Рейнер Вайс в Массачусетском технологическом институте и Кип Торн в Калтехе.
Лазерный луч разделяется на два потока, которые движутся по разным плечам интерферометра, расположенным под прямым углом друг к другу. В конце пути они отражаются от зеркальных покрытий на пробных массах. Так называют тяжелые цилиндры, подвешенные как маятники. Далее потоки фотонов идут обратно по плечам, сливаются, и общий сигнал поступает в фотодетектор.
Гравитационная волна, попадая на установку, растягивает одно плечо и укорачивает другое. Расстояния, которые проходят потоки фотонов, не совпадают, их фаза меняется, и объединенный пучок дает в фотодетекторе особую картину интерференции.
Устройство гравитационно-волнового детектора LIGO. Измерения происходят с помощью лазерного света, который отражается от покрытий массивных кварцевых цилиндров
«Формально первыми были Герценштейн и Пустовойт, американцы это признают. Тогда как раз появились первые лазеры. Говорили, что даже такие детекторы не сработают, лазеры никогда не обеспечат такую стабильность, чтобы измерять. Можно было в разных направлениях двигаться, но надо отдать должное Владимиру Брагинскому, его интуиции: да, сейчас это нереально, но в будущем имеет смысл. И он переориентировал нас на лазерные интерферометры», — вспоминает Валерий Митрофанов.
У Брагинского были хорошие связи с Кипом Торном, который не раз приезжал в МГУ и много от него воспринял. Постройка установки, однако, даже для советской промышленности была неподъемным делом.
«Это очень дорого. Вакуумная система львиную долю стоимости занимает: камеры, трубы и так далее. Детектор стоит миллиард долларов. Спрашивают, заслуженно ли Нобелевскую премию дали Торну, Вайсу и Бэришу? Торн и Вайс уже были известными учеными, и они поставили на кон свою репутацию. Сказали: «Давайте делать так, выделите средства». Убедили, хотя было много противников. Мол, зачем вы им даете деньги? Ничего же не получится! Получилось, но сколько времени понадобилось? Двадцать лет», — объясняет ученый.
В 1980 году Вайсу предоставили финансирование от Национального научного фонда США для постройки прототипа большого интерферометра. Гравитационные волны впервые зарегистрировали в конце 2015-го.
© Фото : Caltech/MIT/LIGO Lab Лаборатория LIGO недалеко от Ливингстона, штат Луизиана
Что ограничивает чувствительность LIGO
В США установили два детектора LIGO на расстоянии три тысячи километров друг от друга — в Хэнфорде и Ливингстоне. С 2010 по 2015 год систему модернизировали. Теперь она называется Advanced LIGO. С ней работает большая международная коллаборация ученых, в том числе две научные группы из России — из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и МГУ (Москва).
Advanced LIGO в США и Virgo в Италии — это второе поколение гравитационно-волновых детекторов. Практически идентичный им собираются построить в Южном полушарии — в Индии, чтобы точнее определять местоположения космических источников гравитационных волн. Дело движется медленно из-за организационных проблем. Скорее всего, к концу третьего научного цикла наблюдений (обозначается как O3) не успеют.
KAGRA — японский криогенный детектор, относится еще к первому поколению. Подключить его к LIGO планируют в конце O3 — это середина 2021 года, чтобы выйти на рабочий режим в четвертом цикле.
Чувствительность детектора определяют по тому, на каком расстоянии он способен зафиксировать признаки слияния нейтронных звезд массой 1,4 массы Солнца. Сейчас Advanced LIGO в Ливингстоне доступны 130 мегапарсек. Величина чудовищная. К примеру, от Земли до ближайшей звезды Проксима Центавра — 1,3 парсека. Плановая же чувствительность установки — 200 мегапарсек.
Флуктуации потока фотонов в лазерном излучении создают еще два вида помех: шум на фотодетекторе и раскачивание зеркала. Увеличение оптической мощности помогает справиться с первым шумом. Сейчас LIGO работает на 200 киловаттах, запланировано — 800. Ослабить второй поможет свет с частотно-зависимым сжатием, о котором будет рассказано ниже.
Свет помогает заглянуть под квантовый уровень шума
В LIGO система измерений применяет сжатый свет. Это так называемое неклассическое состояние, позволяющее точнее измерять либо амплитуду, либо фазу световой волны. Сделать это одновременно нельзя из-за квантовой неопределенности.
Сжатие света по фазе уменьшает ее неопределенность и помогает преодолеть стандартный квантовый уровень шума в потоке фотонов. Таким образом, интерферометр измеряет смещение зеркал с еще большей точностью.
«На высоких частотах мы подавляем флуктуации фазы. Но тогда усиливаются флуктуации амплитуды, которые раскачивают зеркала. А чем меньше частота, тем лучше раскачивается зеркало. Что делать? Нужно использовать частотно-зависимое сжатие света», — делает вывод Валерий Митрофанов.
Это реализуют в проекте LIGO A+. Его разместят в тех же тоннелях с той же вакуумной системой. Заменят пробные массы на стокилограммовые. Детектор почувствует источники гравитационных волн на расстоянии в три раза большем, в 27 раз чаще будет регистрировать события. Сейчас это примерно раз в неделю.
Читать далее https://ria.ru/20190716/1556547660.html
