Нова технологія значно покращує виявлення гравітаційних хвиль

Роками вчені прагнули налаштуватися на тонкі вібрації, які надсилаються Всесвіту катаклізмами. Гравітаційно-хвильові обсерваторії надають таку можливість, але захоплення найслабших сигналів вимагає інноваційних досягнень. Нещодавно розроблена оптична система пропонує можливий шлях до вищих рівнів потужності лазера, що має вирішальне значення для зйомки більш віддалених подій. Джонатан Річардсон, доцент Каліфорнійського університету в Ріверсайді, зазначив, що дослідження є кроком уперед у нашій здатності контролювати спотворення, пов’язані з теплом, які заважають детекторам струму.

Кільцеподібний прицільний нагрів

Нова система направляє інфрачервоне випромінювання на дзеркальні поверхні з ретельно сформованими візерунками. Кільцеподібний підхід виправляє деформацію, яка виникає внаслідок інтенсивної потужності лазера. Кожне головне дзеркало важить близько 88 фунтів, тому мінімізувати спотворення нелегко. Завдяки точно контрольованим зонам нагріву система зберігає чіткість і стабільність відображень, що є головною перевагою для виявлення слабких сигналів.

Звичайна адаптивна оптика в астрономії часто виправляє розмиття атмосфери, але контроль теплового впливу на масивне дзеркало є іншим завданням. Інженери повинні переконатися, що система нагріву не додає шуму та не погіршує чутливість пристрою. Завдяки точному формуванню тепла ця техніка зберігає оптичний шлях. Цей запобіжний захід необхідний для вимірювання незначних збурень у просторі-часі без проникнення помилкових сигналів.

Виявлення слабких сигналів гравітаційної хвилі

Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) вже реєструвала події, що стосуються чорних дір і нейтронних зірок, розширюючи наші знання про космічні зіткнення. Шлях до ще більш слабких сигналів передбачає підвищення потужності лазера понад 1 мегават всередині детекторів.

«Ми очікуємо, що ця технологія та її майбутні версії зможуть досягти більшої потужності інтерферометра», — сказав професор Річардсон. Це посилення приносить більше тепла, що вносить більше спотворень. 

Квантовий шум є ще однією перешкодою, оскільки детектори гравітаційних хвиль покладаються на лазерні промені, які виявляють квантові флуктуації. Дослідники використовують такі методи, як легке стискання, щоб зменшити ці невизначеності та отримати чіткіші вимірювання. Більша потужність лазера підсилює квантові ефекти, що робить життєво важливим мати стабільні дзеркала. Очікується, що новий кільцевий регулятор нагріву допоможе підтримувати якість дзеркала в умовах високої потужності.

Бачення завтрашнього дня

За межами існуючих засобів, запропонований Cosmic Explorer націлений на озброєння довжиною близько 25 миль. Ця величезна відстань має допомогти вловити гравітаційні брижі з попередніх розділів Всесвіту. Дослідники передбачають, що така установка могла б показувати нам сигнали, коли космос був невеликою часткою свого нинішнього віку. Це може прояснити дивовижні деталі швидкості розширення Всесвіту, яка зараз має два суперечливі вимірювання.

Дизайн Cosmic Explorer базується на уроках, отриманих під час оновлень LIGO. Кожне розширення розміру та потужності вимагає рішень, які можуть впоратися з більш серйозними тепловими та квантовими ефектами. Вчені також оцінюють матеріали, які можуть витримувати високі рівні енергії без деформації. Вибір правильних підкладок і покриттів може покращити або порушити продуктивність обсерваторій наступного покоління.

Таємниці, розкриті гравітаційними хвилями

Точні спостереження гравітаційних хвиль можуть запропонувати нове розуміння того, як загальна теорія відносності працює в екстремальних умовах. Дослідники також бачать шанс підтвердити або оскаржити альтернативні теорії, особливо поблизу кордонів чорної діри.

«Якщо ви подивитеся на історію астрономії, кожен раз, коли ми розробляємо електромагнітні телескопи, які можуть спостерігати на іншій довжині хвилі, ми відкриваємо нові об’єкти», — сказав професор Річардсон, який сподівається, що гравітаційні хвилі відкриють щось настільки ж непередбачене.

Виявляючи більш тонкі сигнали, дослідники можуть збирати дані про еволюцію чорних дір, включаючи їх обертання та можливу взаємодію з сусідніми об’єктами. Це може виявити шаблони, які не були видимі за допомогою поточних методів. Гравітаційні хвилі також можуть функціонувати як інший вид космічного правителя. У поєднанні з традиційними спостереженнями на основі світла вони могли б уточнити вимірювання відстані до далеких галактик.

Нова ера виявлення гравітаційних хвиль

Експерти планують поєднати передові оптичні системи з лазерами з квантовим розширеним спектром, щоб відкрити нові межі у виявленні. Дослідження показують, що поєднання цих методів може зменшити шум у кількох частотних діапазонах, дозволяючи виявляти слабші сигнали. Ця робота підкреслює цінність практичної інженерії у дослідженні космічних таємниць. Це також посилює аргументи для створення обсерваторій наступного покоління, які вимагають інтенсивної лазерної потужності та точного керування дзеркалами.

Поточні експерименти спрямовані на інтеграцію адаптивного нагріву з іншими вдосконаленнями датчиків. Вчені випробовують прототипи, які можуть перемикати режими нагріву в режимі реального часу для різних робочих умов. Скоординована глобальна мережа детекторів може обмінюватися ідеями щодо методів формування дзеркал, щоб уся спільнота отримувала користь від кожної розробки. Ця синергія може прискорити наш прогрес у захопленні сигналів від навіть більш віддалених подій.

Створення всесвітньої мережі

Інші проекти, як-от запропонований в Європі телескоп Ейнштейна, спрямовані на використання підземних тунелів, розташованих у трикутній формі, для зменшення сейсмічного шуму. Цей підхід міг би доповнити спроби Cosmic Explorer у більшому масштабі, створивши всесвітню мережу. Така координація збільшує шанси вловити невловимі сигнали та визначити їх джерела. Порівнюючи дані різних детекторів, вчені можуть уточнити свої оцінки того, де в небі виникла гравітаційна хвиля.

Спільний аналіз даних має вирішальне значення, оскільки він підтверджує виявлення та додатково уточнює оцінки походження кожного сигналу. Оновлення існуючих об’єктів уже показує, як невеликі інженерні зміни можуть загострити наше бачення космосу. Підхід до адаптивного опалення є однією з таких змін, але він закладає основу для більш амбітних змін.

Кожне поступове вдосконалення розширює наше уявлення про джерела гравітаційних хвиль, незалежно від того, чи ховаються вони за мільярди світлових років від нас, чи ховаються в нашому локальному космічному сусідстві. У міру розвитку цих технологій можуть виникати нові таємниці, які змінять наше розуміння простору та часу. Дослідження опубліковано в Physical Review Letters.