FROSTI: Тепловая коррекция зеркал LIGO увеличит чувствительность к гравитационным волнам в десять раз

Прорыв в гравитационно-волновой астрономии стал возможен благодаря созданию инновационной системы коррекции волнового фронта лазера. Устройство под названием FROSTI позволит таким обсерваториям, как LIGO, а также будущим детекторам нового поколения повысить свою чувствительность и расширить обозримый объем Вселенной примерно в десять раз. Гравитационные волны — это едва уловимые колебания ткани пространства-времени, порождаемые самыми мощными космическими событиями, например, слияниями черных дыр. Для их регистрации требуются инструменты невероятной точности, и LIGO является одним из самых чувствительных научных комплексов в мире.

Проблема мощности и искажений

Однако путь к обнаружению более слабых и далеких сигналов упирается в фундаментальное физическое ограничение. Для увеличения дальности обзора необходимы более мощные лазеры. Но повышение мощности приводит к нежелательному побочному эффекту: лазерный луч начинает микроскопически деформировать сверхточные зеркала интерферометра. Даже искривления поверхности, меньшие, чем диаметр протона, способны «заглушить» искомый сигнал гравитационной волны. Как объясняет физик Джонатан Ричардсон из Калифорнийского университета в Риверсайде, более мощный луч разрушает хрупкие квантовые состояния света, которые критически важны для повышения четкости измерений. Таким образом, сама попытка усилить сигнал создает помехи.

Зеркала LIGO, весящие 40 килограммов, при облучении лазером мегаваттной мощности (что в пять раз превышает текущие показатели) нагреваются неравномерно. Это тепловое воздействие создает на их поверхности микроскопические бугорки и впадины, что в итоге снижает общую чувствительность всей установки.

Обратите внимание: Быстрая и прочная связь между мозгом и кишечником может привести к возникновению нового «шестого чувства».

Принцип работы системы FROSTI

Решение этой сложной инженерной задачи получило название FROSTI (Front-end Ring-heater for Optical Surface Thermal Imprinting). Несмотря на «холодное» имя, система работает за счет контролируемого и очень точного нагрева. Устройство представляет собой кольцо нагревательных элементов, которое проецирует на тыльную сторону зеркала специальный тепловой рисунок. Этот рисунок целенаправленно изменяет форму зеркала, компенсируя и сглаживая деформации, вызванные мощным лазерным лучом. Ключевое преимущество FROSTI в том, что она вносит минимальный уровень собственных тепловых шумов, которые сами по себе могли бы маскироваться под гравитационный сигнал.

Система функционирует в условиях сверхвысокого вакуума LIGO, не загрязняя драгоценные оптические поверхности. Испытания прототипа подтвердили его высокую эффективность: устройство успешно работает с экстремальной лазерной мощностью, корректирует сложные искажения и устойчиво к небольшим смещениям луча. По сути, FROSTI создает индивидуальную «тепловую маску» для каждого зеркала, возвращая ему идеальную оптическую форму.

Перспективы для астрономии будущего

В настоящее время технология адаптирована для 40-килограммовых зеркал LIGO, но она легко масштабируется. Это открывает путь для ее применения в будущих детекторах, таких как Cosmic Explorer, где будут использоваться зеркала массой 440 килограммов. Благодаря FROSTI обсерватории гравитационных волн смогут заглянуть в самые дальние уголки Вселенной. Увеличение чувствительности в десять раз означает, что астрономы смогут регистрировать не единицы, а миллионы событий в год: слияния черных дыр и нейтронных звезд, а также ранее недоступные для наблюдения космические феномены.

Как отмечает Джонатан Ричардсон, текущий прототип — это только начало. Ученые уже работают над усовершенствованными версиями системы, способными компенсировать еще более сложные искажения. Разработка FROSTI закладывает технологический фундамент для гравитационно-волновой астрономии на следующие два десятилетия, обещая революцию в нашем понимании экстремальных космических явлений.

Исследование было опубликовано в научном журнале Optica.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Ученые разработали новое устройство для коррекции волнового фронта лазера, которое позволит обсерватории LIGO и будущим детекторам гравитационных волн увеличить чувствительность и дальность обзора примерно в десять раз.