Кубанский государственный технологический университет

Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн

21-11-2011
Усовершенствованная версия детектора гравитационных волн LIGO позволит «прощупывать» гораздо большую часть вселенной, чем доступна сейчас (маленький объемчик в углу). Для этого, однако, потребуется решить ряд непростых технических задач (изображение с сайта www.ligo.caltech.edu)

Детекторы гравитационных волн нуждаются в серьезном апгрейде, и для этого потребуется решить ряд нетривиальных технических задач. С одной из этих проблем справились недавно американские и австралийские физики.

Многие эксперименты в современной физике настолько ресурсоемки, что на одну лишь сборку и отладку установки уходят годы. Столь большой промежуток времени накладывает свой отпечаток и на процесс проектирования. Планируя такие эксперименты, физики исходят не только из доступных сегодня технологий, но и рассчитывают на дальнейший прогресс прикладной физики и инженерного дела. Разработчики в буквальном смысле надеются на то, что некоторые технические задачи, которые кажутся неразрешимыми сейчас, будут решены в недалеком будущем.

Именно поэтому за неприметными на первый взгляд инженерными разработками, о которых можно прочесть лишь в специализированных журналах, может, на самом деле, скрываться решение одной из таких задач, а значит, и прорыв в каком-то из ключевых экспериментов фундаментальной физики.

Одним из таких ресурсоемких и очень важных для физики экспериментов является детектирование гравитационных волн. Гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности (ОТО) и уже подтвержденные косвенными методами, — это колебания гравитации, искажения пространства-времени, родившиеся в какой-нибудь галактике, например в результате слияния двух черных дыр, и теперь распространяющиеся по всей Вселенной. Проходя сквозь солнечную систему и Землю, они вызовут чрезвычайно слабое «дрожание» предметов, которое и пытаются зарегистрировать гравитационно-волновые детекторы.

В принципе, за гравитационными волнами «охотятся» уже более 30 лет (см. статью В. М. Липунова Гравитационно-волновое небо), но этот поиск пока не принес успехов. Космические события, вызывающие мощные всплески гравитационных волн, в нашей галактике происходят очень редко, раз в тысячи лет. Дождаться их нереально. В местном скоплении галактик, в целом, они происходят чаще, но из других галактик эти волны приходят очень ослабленными, и чувствительности аппаратуры для их регистрации долгое время не хватало.

Лишь несколько лет назад был построен первый детектор нового поколения — LIGO, который имеет шанс уловить в обозримом будущем гравитационно-волновой всплеск.

Главная идея такого детектора проста. В двух длинных (длиной в несколько километров!) и перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Лазерный луч расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга, и фотодетектор оказывается в полной тени. Но стоит лишь какому-нибудь из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (внимание: тут речь идет не о длине световой волны, и даже не о диаметре атома, а о тысячных долях размера атомного ядра!), как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. Чем меньше смещение зеркала — тем слабее будет нескомпенсированный свет. А значит, чем мощнее лазерный луч, циркулирующий в установке, тем меньший сдвиг зеркал можно будет заметить при данном фотодетекторе.

В настоящее время LIGO работает в своей первой стадии, при которой он сможет регистрировать 1 всплеск в несколько (или несколько десятков — астрофизики пока не могут предсказать точнее) лет. Но разработчики, конечно, не собираются останавливаться на этом. Их цель — кардинальный «апгрейд» детектора, получивший название Advanced LIGO, который позволит улучшить чувствительность в десять раз и позволит регистрировать по нескольку всплесков в год. А для этого, среди прочих усовершенствований, потребуется в сто раз увеличить мощность лазерного луча.

Именно тут возникает техническая проблема. Слишком мощный лазерный луч оказывает побочные эффекты на тонко настроенную оптическую систему: даже сверхотражающие зеркала и сверхпрозрачные линзы будут заметно нагреваться от такого луча. Нагрев стекол (а также просветляющего покрытия линз) приведет, во-первых, к их расширению и искажению формы, а во-вторых, изменит их коэффициент преломления. Если на эти «мелочи» не обратить внимания, то при запуске столь мощного луча произойдет сильный сбой настроек и непредвиденное искажение луча, сводящее на нет все усилия по улучшению чувствительности детектора.

Чтобы преодолеть эту проблему, внутри проекта LIGO была создана специальная рабочая группа, включающая исследователей из США и Австралии. В Западной Австралии была сконструирована установка длиной 80 метров, призванная смоделировать воздействие мощного луча на систему линз и зеркал, а также попробовать избавиться от этого воздействия.

О том, чего удалось достичь в этих экспериментах, рассказывается в недавней статье C. Zhao et al., Physical Review Letters, 96, 231101 (16 June 2006), доступной также как gr-qc/0602096.

Авторы пишут, что тестовый луч мощностью 1 киловатт, циркулировавший в оптической системе, действительно приводил к нагреву оптических элементов и расфокусировке лазерного луча. Для компенсации этих искажений исследователи поместили на пути луча специальную круглую прозрачную пластинку, по ободу которой была намотана обычная нихромовая проволока, сродни той, что находится внутри бытовых нагревательных приборов. По проволоке пускали ток, пластинка нагревалась, но нагрев был, очевидно, более сильным по краям пластинки.

Благодаря такой немудреной системе авторам работы удалось устранить искажения, вызываемые мощным лазером. Луч греет центральные части линз и зеркал; пластинка же греется сильнее всего по периметру. И то, и другое воздействие вносят искажения в параметры лазерного луча, но — если подобрать правильную силу тока — вместе эти искажения компенсируются! Луч снова становится таким, каким он был бы безо всяких тепловых искажений.

Авторы убедились, что разработанная ими схема компенсации достаточно устойчива: она позволяет удерживать параметры луча в пределах небольших колебаний столько времени, сколько нужно. Однако для будущего детектора потребуется устранить и эти колебания. В ближайшее время планируется установка дополнительных систем слежения за пучком, которая позволит «отшлифовать» разработанную технологию.

Игорь Иванов

‹‹