Подолано перешкоду на шляху до високочутливому детектору гравітаційних хвиль • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Подолано перешкоду на шляху до високочутливому детектору гравітаційних хвиль

Удосконалена версія детектора гравітаційних хвиль LIGO дозволить "промацувати" набагато більшу частину всесвіту, ніж доступна зараз (маленький Об'емчик в кутку). Для цього, однак, потрібно вирішити ряд непростих технічних завдань (зображення з сайту www.ligo.caltech.edu)

Детектори гравітаційних хвиль потребують серйозного апгрейде, і для цього буде потрібно вирішити ряд нетривіальних технічних завдань. З одного з цих проблем впоралися недавно американські та австралійські фізики.

Багато експерименти в сучасній фізиці настільки ресурсомісткі, що на одну лише складання і налагодження установки йдуть роки. Настільки великий проміжок часу накладає свій відбиток і на процес проектування. Плануючи такі експерименти, фізики виходять не тільки з доступних сьогодні технологій, а й розраховують на подальший прогрес прикладної фізики та інженерної справи. Розробники в буквальному сенсі сподіваються на те, що деякі технічні завдання, які здаються нерозв'язними зараз, будуть вирішені в недалекому майбутньому.

Саме тому за непримітними на перший погляд інженерними розробками, про які можна прочитати лише в спеціалізованих журналах, може,насправді, ховатися вирішення однієї з таких задач, а значить, і прорив в якомусь із ключових експериментів фундаментальної фізики.

Одним з таких ресурсномістких і дуже важливих для фізики експериментів є детектування гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі, передбачені загальною теорією відносності (ЗТВ) і вже підтверджені непрямими методами, – це коливання гравітації, спотворення простору-часу, що народилися в який-небудь галактиці, наприклад в результаті злиття двох чорних дір, і тепер поширюються по всьому Всесвіті. Проходячи крізь сонячну систему і Землю, вони викличуть надзвичайно слабке «тремтіння» предметів, яке і намагаються зареєструвати гравітаційно-хвильові детектори.

В принципі, за гравітаційними хвилями «полюють» вже більше 30 років (див. Статтю В. М. Ліпунова Гравітаційно-хвильове небо), але цей пошук поки не приніс успіхів. Космічні події, що викликають потужні сплески гравітаційних хвиль, в нашій галактиці відбуваються дуже рідко, раз в тисячу років. Дочекатися їх нереально. У місцевому скупченні галактик, в цілому, вони відбуваються частіше, але з інших галактик ці хвилі приходять дуже ослабленими, і чутливості апаратури для їх реєстрації довгий час не вистачало.

Лише кілька років тому був побудований перший детектор нового покоління – LIGO, який має шанс вловити в доступному для огляду майбутньому гравітаційно-хвильової сплеск.

Головна ідея такого детектора проста. У двох довгих (довжиною в кілька кілометрів!) І перпендикулярних один одному вакуумних камерах підвішуються дзеркала. Лазерний промінь розщеплюється, йде по обох камер, відбивається від дзеркал, повертається назад і знову з'єднується. У «спокійному» стані довжини підібрані так, що ці два промені після возз'єднання в напівпрозорому дзеркалі гасять один одного, і фотодетектор виявляється в повній тіні. Але варто лише якому-небудь з дзеркал зміститися на мікроскопічне відстань (увага: тут мова йде не про довжину світлової хвилі, і навіть не про діаметр атома, а про тисячних частках розміру атомного ядра!), Як компенсація двох променів стане неповної і фотодетектор уловить світло. Чим менше зміщення дзеркала – то менше буде нескомпенсований світло. А значить, чим потужніший лазерний промінь, який циркулює в установці, тим менший зсув дзеркал можна буде помітити при цьому фотодетектори.

В даний час LIGO працює у своїй першій стадії, при якій він зможе реєструвати 1 сплеск в кілька (або кілька десятків – астрофізики поки не можуть передбачити точніше) років.Але розробники, звичайно, не збираються зупинятися на цьому. Їх мета – кардинальний «апгрейд» детектора, який отримав назву Advanced LIGO, який дозволить поліпшити чутливість в десять разів і дозволить реєструвати по кілька сплесків в рік. А для цього, серед інших удосконалень, потрібно в сто разів збільшити потужність лазерного променя.

Саме тут виникає технічна проблема. Занадто потужний лазерний промінь надає побічні ефекти на тонко налаштовану оптичну систему: навіть сверхотражающіе дзеркала і надпрозоре лінзи будуть помітно нагріватися від такого променя. Нагрівання стекол (а також просветляющего покриття лінз) призведе, по-перше, до їх розширення і спотворення форми, а по-друге, змінить їх коефіцієнт заломлення. Якщо на ці «дрібниці» не звернути уваги, то при запуску такого потужного променя відбудеться сильний збій налаштувань і непередбачене перекручування променя, що зводить нанівець всі зусилля по поліпшенню чутливості детектора.

Щоб подолати цю проблему, всередині проекту LIGO була створена спеціальна робоча група, що включає дослідників з США та Австралії. У Західній Австралії була сконструйована установка довжиною 80 метрів,покликана змоделювати вплив потужного променя на систему лінз і дзеркал, а також спробувати позбутися від цього впливу.

Про те, чого вдалося досягти в цих експериментах, розповідається в недавній статті C. Zhao et al., Physical Review Letters, 96, 231101 (16 June 2006), доступною також як gr-qc / 0602096.

Автори пишуть, що тестовий промінь потужністю 1 кіловат, що циркулював в оптичній системі, дійсно приводив до нагрівання оптичних елементів і расфокусировке лазерного променя. Для компенсації цих спотворень дослідники помістили на шляху променя спеціальну круглу прозору пластинку, по обіду якої була намотана звичайна нихромовая дріт, майже така сама, що знаходиться всередині побутових нагрівальних приладів. За дроті пускали струм, платівка нагрівалася, але нагрів був, очевидно, більш сильним по краях пластинки.

Завдяки такій нехитрої системі авторам роботи вдалося усунути спотворення, викликані потужним лазером. Луч гріє центральні частини лінз і дзеркал; пластинка ж гріється сильніше всього по периметру. І те, і інше вплив вносять спотворення в параметри лазерного променя, але – якщо підібрати правильну силу струму – разом ці спотворення компенсуються! Луч знову стає таким, яким він був би без жодних теплових спотворень.

Автори переконалися, що розроблена ними схема компенсації досить стійка: вона дозволяє утримувати параметри променя в межах невеликих коливань стільки часу, скільки потрібно. Однак для майбутнього детектора потрібно усунути і ці коливання. Найближчим часом планується установка додаткових систем стеження за пучком, яка дозволить «відшліфувати» розроблену технологію.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: