Устранение неполадки внутри одной из самых совершенных научных обсерваторий в мире могло бы показаться задачей, требующей многомиллионной модернизации или революционно новой технологии. Но для ученых, работающих с Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), которая вслушивается в рябь пространства-времени, порожденную космическими столкновениями вроде слияния черных дыр, решение умеренной, но настойчивой инженерной головоломки оказалось простым до неожиданности: камера, купленная в обычном магазине.
Объединив коммерчески доступные тепловизионные камеры с компьютерными моделями, группа под руководством Джонатана Ричардсона из Калифорнийского университета в Риверсайде разработала методику, которая исправляет крошечные, вызванные нагревом искажения на зеркалах обсерватории. Эту трудноуловимую деформацию ученые называют главным фактором, ограничивающим сейчас дальность обзора установки.
«Это не требует разработки каких-либо новых технологий, что почти неслыханно для решения приборной проблемы LIGO», — заявил Ричардсон.
Согласно оценкам команды, после внедрения в грядущую модернизацию LIGO это исправление увеличит радиус действия обсерватории примерно на 33 миллиона световых лет.
Эта прибавка может показаться каплей в море на фоне невообразимо огромных масштабов Вселенной, но, поскольку пространство расширяется в трех измерениях, даже малейшее увеличение досягаемости детектора открывает экспоненциально большее окно в космос. Возможность заглянуть дальше во Вселенную позволит астрономам «услышать» гораздо больше космической ряби и, в свою очередь, повысит шансы обнаружить самые бурные столкновения, которые сегодня лежат за пределами досягаемости LIGO.
Как это работает: зеркала, фотоны и нагрев
LIGO улавливает космическую рябь, известную как гравитационные волны, с помощью двух Г-образных установок в США — в штатах Вашингтон и Луизиана. Внутри каждого детектора лазерный луч проносится по двум 4-километровым тоннелям, отражаясь от безупречных зеркал на концах. Когда гравитационная волна проходит сквозь Землю, она неуловимо растягивает один тоннель и сжимает другой. Этот микроскопический сдвиг едва заметно меняет лазерные лучи, создавая крошечную вспышку света, которая сообщает ученым о далеком космическом событии.
Поскольку эти сигналы невообразимо малы, сохранение каждого фотона имеет решающее значение. Для этого LIGO использует зеркала, отполированные так, что они отражают 99,9999% падающего на них лазерного света — они считаются одними из самых чистых оптических компонентов, когда-либо созданных человеком.
И все же даже у этих почти идеальных зеркал есть один неизбежный изъян. Они все-таки поглощают крошечную долю интенсивного лазерного света. Эта энергия превращается в тепло, деформируя поверхность зеркала всего на несколько нанометров — но этого достаточно, чтобы исказить лазерный луч и снизить общую чувствительность обсерватории.
Физики давно знали, что с этими искажениями можно бороться, направляя тепло на обратную сторону зеркал. Трудность заключалась в том, чтобы измерить деформации с точностью, позволяющей приложить корректирующее тепло с хирургической аккуратностью. Новая техника использует инфракрасные тепловые снимки и существующие компьютерные модели для реконструкции карты искажений по всей поверхности зеркала.
«Можно представить, что мы делаем инфракрасный снимок автомобильного двигателя, — пояснил Ричардсон. — Инженер смотрит на температурную картину снаружи и делает вывод о том, что происходит внутри. То же самое мы делаем с зеркалами LIGO».
Космический исследователь: заглянуть еще дальше
Методика пригодится не только для починки LIGO. Ожидается, что она ляжет в основу фундаментального проекта Cosmic Explorer — строящегося в США гравитационно-волнового детектора следующего поколения, запуск которого намечен на середину 2030-х годов.
Имея 40-километровые плечи — в десять раз длиннее, чем у LIGO, — Cosmic Explorer уже спроектирован так, чтобы регистрировать гравитационно-волновые события далеко за пределами возможностей сегодняшних обсерваторий. Новая техника лишь многократно увеличит его итоговую дальность.
«Цель для следующего поколения детекторов гравитационных волн — достичь примерно десятикратного увеличения чувствительности по сравнению с нынешними инструментами, — сказал Ричардсон. — Одно из ключевых препятствий на этом пути — снижение фундаментального квантово-механического шума, ограничивающего точность измерений».
Если обсерватории нового поколения реализуют задуманное, астрономы смогут регистрировать слияния черных дыр, происходившие в самые первые мгновения жизни Вселенной, когда еще не зажглись первые звезды. Простая тепловизионная камера, доступная сегодня любому инженеру-электрику, возможно, станет тем скромным ключом, который откроет дверь к пониманию великой космической тьмы.
Методика описана в статье, опубликованной 16 июля в журнале Classical and Quantum Gravity. При подготовке материала также использовались заявления Калифорнийского университета в Риверсайде и данные LIGO Laboratory.
В нашем Telegram‑канале, вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Поделитесь:
Оставьте Комментарий