Вчені створили технологію FROSTI для покращення детекції гравітаційних хвиль

Дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді розробили революційну технологію, яка може значно розширити можливості вивчення Всесвіту через детекцію гравітаційних хвиль. Команда під керівництвом фізика Джонатана Річардсона створила та успішно протестувала повномасштабний прототип системи FROSTI, призначений для контролю лазерних хвильових фронтів при надвисокій потужності всередині Лазерного інтерферометричного гравітаційно-хвильового детектора LIGO.

LIGO стала першою установкою, яка підтвердила існування гравітаційних хвиль — брижів у просторі-часі, що утворюються масивними прискорюваними об'єктами, такими як злиття чорних дір. Це відкриття надало ключові докази на підтримку теорії відносності Ейнштейна. Обсерваторія використовує два лазерні інтерферометри довжиною 4 кілометри у Вашингтоні та Луїзіані для реєстрації цих слабких сигналів, що дає вченим нові способи вивчення чорних дір, космології та фізики екстремальної матерії.

В основі цієї роботи лежать дзеркала LIGO, які належать до найточніших оптичних компонентів у світі. Кожне дзеркало має діаметр 34 сантиметри, товщину 20 сантиметрів та вагу близько 40 кілограмів. Вони повинні залишатися абсолютно стабільними, щоб зареєструвати спотворення простору-часу розміром в одну тисячну ширини протона. Навіть найменша вібрація або шум навколишнього середовища можуть приховати делікатний сигнал гравітаційної хвилі, що проходить повз.

«В основі нашої інновації лежить новий пристрій адаптивної оптики, розроблений для точного перетворення поверхонь основних дзеркал LIGO при потужності лазера, що перевищує 1 мегават — більш ніж у мільярд разів потужніше за типовий лазерний покажчик і майже в п'ять разів потужніше за те, що LIGO використовує сьогодні», — зазначив Річардсон, доцент кафедри фізики та астрономії. «Ця технологія відкриває новий шлях для майбутнього гравітаційно-хвильової астрономії. Це важливий крок до створення детекторів наступного покоління, таких як Cosmic Explorer, які зможуть заглянути в глибини Всесвіту глибше, ніж будь-коли раніше».

FROSTI, що розшифровується як FROnt Surface Type Irradiator, являє собою прецизійну систему контролю хвильового фронту, яка протидіє спотворенням, викликаним інтенсивним лазерним нагріванням в оптиці LIGO. На відміну від існуючих систем, які можуть робити лише грубі коригування, FROSTI використовує складну систему теплової проекції для здійснення точних коригувань вищого порядку. Це критично важливо для точності, необхідної в майбутніх детекторах.

Незважаючи на свою «крижану» назву, FROSTI працює шляхом обережного нагрівання поверхні дзеркала, але таким чином, що відновлює його первинну оптичну форму. Використовуючи теплове випромінювання, система створює індивідуальний тепловий візерунок, який згладжує спотворення без внесення зайвого шуму, який міг би імітувати гравітаційні хвилі.

Гравітаційні хвилі були вперше виявлені LIGO у 2015 році, поклавши початок новій ері в астрономії. Але щоб повністю розкрити їхній потенціал, майбутні детектори повинні мати можливість спостерігати більш віддалені події з більшою чіткістю.

«Це означає подолання меж як лазерної потужності, так і квантової точності», — пояснив Річардсон. «Проблема полягає в тому, що збільшення потужності лазера має тенденцію руйнувати делікатні квантові стани, на які ми покладаємося для покращення чіткості сигналу. Наша нова технологія вирішує цю суперечність, забезпечуючи збереження неспотвореності оптики навіть при рівнях потужності в мегавати».

Технологія допоможе розширити гравітаційно-хвильовий огляд Всесвіту в 10 разів, потенційно дозволяючи астрономам виявляти мільйони злиттів чорних дір та нейтронних зір по всьому космосу з неперевершеною точністю.

FROSTI, як очікується, відіграватиме критичну роль у LIGO A# — запланованому оновленні, яке слугуватиме провідником для обсерваторії наступного покоління, відомої як Cosmic Explorer. Хоча поточний прототип був протестований на 40-кілограмовому дзеркалі LIGO, технологія є масштабованою і врешті-решт буде адаптована до 440-кілограмових дзеркал, передбачених для Cosmic Explorer.

«Поточний прототип — це лише початок», — зазначив Річардсон. «Ми вже проектуємо нові версії, здатні виправляти ще більш складні оптичні спотворення. Це основа досліджень і розробок для наступних 20 років гравітаційно-хвильової астрономії».

Дослідження було опубліковано в журналі Optica. У роботі взяли участь вчені з Каліфорнійського університету в Ріверсайді, Массачусетського технологічного інституту та Каліфорнійського технологічного інституту. Дослідження фінансувалося грантом Національного наукового фонду США.