Новая технология для обнаружения гравитационных волн
В статье, опубликованной ранее в этом месяце в журнале Physical Review Letters, группа физиков во главе с Джонатаном Ричардсоном из Калифорнийского университета в Риверсайде, демонстрирует, как новая оптическая технология может расширить диапазон обнаружения гравитационно-волновых обсерваторий, таких как лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, и проложить путь к получению новых данных. для будущих обсерваторий.
С 2015 года обсерватории, подобные LIGO, открыли новое окно во Вселенную. Планы по дальнейшей модернизации 4-километровых детекторов LIGO и строительству 40-километровой обсерватории нового поколения Cosmic Explorer направлены на то, чтобы расширить горизонты обнаружения гравитационных волн до самых ранних периодов в истории Вселенной, до того, как сформировались первые звезды. Однако реализация этих планов зависит от достижения уровня мощности лазера, превышающего 1 мегаватт, что намного превышает возможности LIGO на сегодняшний день.
В исследовательской статье сообщается о прорыве, который позволит гравитационно-волновым детекторам достичь предельной мощности лазера. В ней представлен новый подход к адаптивной оптике с низким уровнем шума и высоким разрешением, который может скорректировать предельные искажения основных 40-килограммовых зеркал LIGO, возникающие при увеличении мощности лазера из-за нагрева.
Ричардсон, доцент кафедры физики и астрономии, объясняет выводы статьи в следующих вопросах и ответах:
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны - это новый способ наблюдения за Вселенной. Они предсказаны уравнениями общей теории относительности. Когда массивные объекты ускоряются или сталкиваются во Вселенной, искажения в структуре пространства-времени распространяются подобно ряби на поверхности пруда со скоростью света. Эти искажения являются гравитационными волнами и, подобно электромагнитным волнам, несут энергию и импульс. Теперь у нас есть много информации об экстремальных астрофизических объектах, таких как черные дыры, которые их создают, и о физике, лежащей в основе пространства-времени, через которое эти волны проходят, чтобы достичь нас.
Как работает LIGO?
LIGO - один из крупнейших в мире образцов научного оборудования. Он состоит из двух лазерных интерферометров размером 4 на 4 километра. Один из этих интерферометров находится во внутренней части штата Вашингтон, другой - за пределами Батон-Ружа, штат Луизиана. Эти родственные сайты работают в тандеме, пассивно прислушиваясь к любым искажениям пространства-времени, которые могут распространяться по Земле в виде гравитационной волны.
На данный момент LIGO зафиксировала около 200 случаев столкновения и слияния компактных объектов звездной массы друг с другом. Подавляющее большинство из них были слияниями двух черных дыр, но мы также наблюдали слияния нейтронных звезд. Я надеюсь, что однажды мы сможем обнаружить какой-нибудь источник, который окажется совершенно неожиданным и непредсказуемым. Если вы посмотрите на историю астрономии, то увидите, что каждый раз, когда мы разрабатываем электромагнитные телескопы, которые могут наблюдать излучение с другой длиной волны, отличной от той, которую никогда раньше не наблюдали, мы видим Вселенную буквально в новом свете и почти всегда обнаруживаем новые типы объектов, видимых в этом диапазоне длин волн, но не в других. Я надеюсь, что то же самое верно и для гравитационных волн.
Расскажите нам об инструменте, который вы разработали в своей лаборатории и который может применяться в LIGO.
В UCR я сосредоточен на разработке новых типов лазерных адаптивных оптических технологий, позволяющих преодолеть фундаментальные физические ограничения, связанные с тем, насколько чувствительными мы можем сделать детекторы, подобные LIGO. На большинстве частот сигналов гравитационных волн, которые мы можем наблюдать с земли, чувствительность почти всех из них ограничена квантовой механикой, квантовыми свойствами самого лазерного излучения, которое мы используем в интерферометре для отражения от зеркал. Прибор, который мы разработали в моей лаборатории, предназначен для точной оптической коррекции непосредственно главных зеркал интерферометров LIGO. Наш прибор сконструирован таким образом, чтобы располагаться всего в нескольких сантиметрах от отражающей поверхности этих зеркал и проецировать инфракрасное излучение с очень низким уровнем шума на переднюю поверхность зеркала. Это первый прототип совершенно нового подхода, в котором используются оптические принципы, не позволяющие получить изображение, которые ранее никогда не использовались для обнаружения гравитационных волн.
Что такое Cosmic Explorer?
Cosmic Explorer - это американская концепция гравитационно-волновой обсерватории следующего поколения, после LIGO. Она будет в 10 раз больше LIGO, так что длина плеч интерферометра составит 40 на 40 километров. Это будет самый большой научный прибор из когда-либо созданных. Благодаря своей проектной чувствительности эти детекторы позволят увидеть Вселенную в более ранние времена, чем те, когда, как считается, образовались первые звезды, когда возраст Вселенной составлял около 0,1% от ее нынешнего возраста в 14 миллиардов лет. Мы сможем увидеть снимок Вселенной на очень ранней стадии развития.
Вкратце, о чем говорится в исследовательской работе?
В статье показано, что высокоточная оптическая коррекция необходима для расширения нашего представления о Вселенной с точки зрения гравитационных волн. В ней описываются потенциальные последствия, которые, как мы ожидаем, окажут наши новые технологии на следующее поколение LIGO и на последующие годы. Важно отметить, что в статье показано, что этот тип технологии необходим и достаточен для обеспечения гораздо более высоких уровней циркулирующей мощности лазера в детекторах LIGO, чем когда-либо прежде. Мы ожидаем, что эта технология и ее будущие версии позволят достичь большей мощности в интерферометре.
Почему так важно провести это исследование?
Это исследование обещает ответить на некоторые из самых глубоких вопросов физики и космологии, такие как скорость расширения Вселенной и истинная природа черных дыр. На данный момент существуют два противоречивых показателя локальной скорости расширения Вселенной, которые потенциально могут быть получены с помощью гравитационных волн. Гравитационные волны также позволят провести высокоточные измерения детальной динамики вокруг горизонтов событий черных дыр, что позволит нам напрямую проверить классическую общую теорию относительности и альтернативные теории.
