Новое устройство для корректировки волнового фронта лазера было создано учеными. Оно позволит обсерватории LIGO и перспективным детекторам гравитационных волн повысить чувствительность и увеличить радиус действия примерно в десять раз. Гравитационные волны – это незначительные колебания пространства-времени, возникающие вследствие космических катастроф, например, слияния черных дыр. Они обладают крайне малой амплитудой. Обнаружение таких волн требует использования высокоточных приборов, таких как LIGO, который считается одной из наиболее чувствительных экспериментальных установок в мире.
Существует принципиальное ограничение, мешающее повышению чувствительности. Для регистрации более слабых сигналов, поступающих из отдаленных областей Вселенной, LIGO требует более мощных лазеров. Однако увеличение мощности приводит к незначительной деформации зеркал интерферометра лазерным лучом. Даже искажения, размеры которых меньше, чем у протона, могут затруднить обнаружение гравитационных волн. Разрешить эту проблему удалось благодаря разработке системы FROSTI, которая открывает новую ступень в исследовании космоса.
По словам одного из разработчиков, физика Джонатана Ричардсона из Калифорнийского университета в Риверсайде, увеличение мощности лазера приводит к разрушению деликатных квантовых состояний, которые необходимы для повышения качества сигнала. Новая технология устраняет это противоречие, обеспечивая сохранение целостности оптики даже при мощности в мегаватты. Зеркала LIGO имеют ширину 34 сантиметра, толщину 20 сантиметров и вес 40 килограммов. При прохождении через них лазерных лучей мегаваттной мощности, что в пять раз превышает текущие параметры обсерватории, зеркала подвергаются неравномерному нагреву. Это приводит к образованию микроскопических выпуклостей и углублений на их поверхности, что ухудшает чувствительность всего прибора.
FROSTI, аббревиатура, обозначающая «облучатель передней поверхности», устраняет эти отклонения благодаря кольцу нагревательных элементов, формирующим на поверхности зеркала заданный тепловой профиль. Это позволяет целенаправленно изменять геометрию зеркала, устраняя деформации, и при этом создает незначительный уровень собственных помех. Несмотря на свое «холодное» наименование, FROSTI использует аккуратный нагрев поверхности зеркала, что позволяет вернуть ему первоначальную, идеальную оптическую форму. Система работает в условиях сверхвысокого вакуума LIGO, не загрязняя ценные зеркала. Проведенные испытания прототипа продемонстрировали его способность функционировать при очень высокой мощности лазера, корректировать сложные искажения и сохранять устойчивость к небольшим отклонениям в направлении луча. Используя тепловое излучение, устройство формирует индивидуальную схему нагрева, которая сглаживает искажения, не создавая при этом избыточного шума, который можно было бы ошибочно принять за гравитационную волну.
В настоящее время FROSTI оптимизирован для 40-килограммовых зеркал LIGO, однако технология может быть расширена и для более тяжелых 440-килограммовых зеркал, которые планируется использовать в будущих детекторах, например, Cosmic Explorer. Благодаря FROSTI обсерватории гравитационных волн получат возможность обнаруживать более слабые и отдаленные события, что увеличит наблюдаемый объем Вселенной примерно в десять раз. Это даст возможность астрономам регистрировать миллионы слияний черных дыр и нейтронных звезд, а также множество других загадочных космических явлений, которые сегодня остаются недоступными для изучения. Подобные открытия существенно расширят наше понимание самых экстремальных явлений во Вселенной. Как отметил Джонатан Ричардсон, текущий прототип – это только начало работы, и ученые уже разрабатывают новые версии системы, способные корректировать еще более сложные оптические искажения. Эта разработка создает научно-техническую основу для гравитационно-волновой астрономии на ближайшие двадцать лет.
Результаты исследования появились в публикации научного издания .