Учёные разработали метод повышения чувствительности детекторов гравитационных волн LIGO в 1000 раз для исследования эпохи до появления первых звёзд

Исследователи из Калифорнийского университета создали инновационную оптическую методику, которая может значимо расширить функциональность гравитационно-волновых обсерваторий.

Эта технология сосредоточена на решении ключевых задач, с которыми сталкиваются такие обсерватории, как LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Основная цель заключается в достижении лазерной мощности свыше одного мегаватта, что существенно превышает текущие возможности таких установок, как LIGO.

Учёные разработали новаторский метод адаптивной оптики с минимальным уровнем шума и высоким разрешением. Эта методика позволяет устранять искажения на основных зеркалах LIGO, вес которых составляет 40 килограммов, возникающие из-за тепловых эффектов при увеличении лазерной мощности. Это открытие прокладывает путь к созданию гравитационно-волновых детекторов, способных оперировать при очень высоких уровнях лазерной мощности.

Доцент кафедры физики и астрономии Джонатан Ричардсон объясняет, что гравитационные волны открывают новый способ наблюдения за Вселенной. Они формируются от ускорения или столкновения массивных космических объектов, которые вносят искажения в пространство-время. Эти волны несут сведения об экстремальных астрофизических телах, таких как чёрные дыры, и о фундаментальных законах, лежащих в основе физической реальности.

LIGO, одна из самых крупных научных установок в мире, включает два лазерных интерферометра длиной 4 километра, расположенные в штате Вашингтон и недалеко от Батон-Руж в Луизиане. Обе обсерватории работают скоординировано, «прослушивая» любое нарушение структуры пространства-времени, проносящееся через Землю как гравитационная волна.

На данный момент LIGO зафиксировала примерно 200 событий, связанных с слиянием и столкновением компактных объектов звёздной массы. Большинство из них — слияния двух чёрных дыр, однако также зарегистрированы слияния нейтронных звёзд.

Новая технология, разработанная в лаборатории Ричардсона, обеспечивает точную оптическую коррекцию непосредственно на главных зеркалах интерферометров LIGO. Инструмент расположен всего в нескольких сантиметрах от поверхности зеркала и проецирует на него корректирующее инфракрасное излучение с ультранизким уровнем шума. Это первый прототип нового метода, основанного на оптических принципах, ранее не использовавшихся для регистрации гравитационных волн.

Исследование также имеет значимость для будущего проекта Cosmic Explorer — концепции гравитационно-волновой обсерватории следующего поколения после LIGO. Cosmic Explorer будет в 10 раз больше LIGO с интерферометрическими плечами длиной 40 километров, что делает его самым крупным научным инструментом. При проектной чувствительности эти детекторы смогут исследовать Вселенную в эпохи до появления первых звёзд, когда возраст Вселенной составлял лишь около 0,1% от её современного возраста в 14 миллиардов лет.

Новая технология сулит подтолкнуть к разрешению некоторых из глубочайших загадок в физике и космологии, таких как скорость расширения Вселенной и подлинная природа чёрных дыр. В настоящее время существуют два противоречивых измерения местной скорости расширения Вселенной, которые могут быть опровергнуты с помощью гравитационных волн. Кроме того, гравитационные волны предоставят точные данные о динамике вблизи горизонтов событий чёрных дыр, позволяя проводить экспериментальные проверки классической общей теории относительности и альтернативных физических теорий.

Источник: iXBT