Ученые разрабатывают новое вооружение для "захвата" гравитационных волн

МОСКВА, 16 июл — РИА Новости, Татьяна Пичугина. За почти четыре года работы детекторы LIGO и Virgo обнаружили гравитационные волны от слияния десяти пар черных дыр и одной пары нейтронных звезд. Максимальной чувствительности установки еще не достигли. Чтобы исследовать другие источники во Вселенной, искать реликтовый фон, темную материю, углубляться в раннюю историю Вселенной, их придется серьезно модернизировать — вплоть до полной перестройки. О новых поколениях гравитационно-волновых детекторов РИА Новости рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, лауреат Государственной премии в области науки и технологий, руководитель научной группы в коллаборации LIGO.

Сомнения не останавливают физиков

В 1916 году Альберт Эйнштейн предложил теорию гравитационных волн, распространяющихся в пространстве-времени, словно рябь по воде, из-за ускоренного движения массивных тел. Поскольку гравитационное взаимодействие по сравнению, например, с электро-магнитным, очень слабое и, в отличие от электрических зарядов, не существуют гравитационные заряды (массы) с разными знаками, зарегистрировать их проблематично.

Некоторые ученые скептически относились к этой теории. Сомнения были и у Эйнштейна. Тем не менее физики пытались обнаружить гравитационные волны. Раз есть взаимодействие, значит, его можно измерить. Вопрос в чувствительности аппаратуры.

В середине 1960-х американский физик Джозеф Вебер разработал детектор-антенну в виде алюминиевой болванки. Идея состояла в том, что пришедшая из космоса гравитационная волна растягивает или сжимает болванку, ее колебания усиливаются, и это можно измерить.

"Детекторы типа веберовского делали многие и в США, и в Италии. Даже по две с половиной тонны были. Их охлаждали до температуры жидкого гелия. Дорого со всех точек зрения", — говорит Валерий Митрофанов.

В те годы он, студент физического факультета МГУ, занялся экспериментами в группе Владимира Брагинского. Там пошли другим путем: увеличивали добротность системы. Чем она выше, тем дольше колебания не затухают. То есть меньше диссипация энергии и уровень теплового шума.

"Вебер заявил, что обнаружил гравитационные волны. Брагинский сказал: "А мы не обнаружили". Вот так это начиналось", — продолжает профессор.

© Фото : Дарья Смирнова/Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ факультета журналистики МГУ

Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ, лауреат Государственной премии в области науки и технологий, руководитель научной группы в коллаборации LIGO.

Ученые понимают, что нужна длинная база

В 1962 году советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт опубликовали статью, предложив не детектор типа цилиндра, а лазерный интерферометр Майкельсона. Ту же идею чуть позже стали развивать американские ученые — Рейнер Вайс в Массачусетском технологическом институте и Кип Торн в Калтехе.

Лазерный луч разделяется на два потока, которые движутся по разным плечам интерферометра, расположенным под прямым углом друг к другу. В конце пути они отражаются от зеркальных покрытий на пробных массах. Так называют тяжелые цилиндры, подвешенные как маятники. Далее потоки фотонов идут обратно по плечам, сливаются, и общий сигнал поступает в фотодетектор.

Гравитационная волна, попадая на установку, растягивает одно плечо и укорачивает другое. Расстояния, которые проходят потоки фотонов, не совпадают, их фаза меняется, и объединенный пучок дает в фотодетекторе особую картину интерференции.

© Иллюстрация РИА Новости

Устройство гравитационно-волнового детектора LIGO. Измерения происходят с помощью лазерного света, который отражается от покрытий массивных кварцевых цилиндров

"Формально первыми были Герценштейн и Пустовойт, американцы это признают. Тогда как раз появились первые лазеры. Говорили, что даже такие детекторы не сработают, лазеры никогда не обеспечат такую стабильность, чтобы измерять. Можно было в разных направлениях двигаться, но надо отдать должное Владимиру Брагинскому, его интуиции: да, сейчас это нереально, но в будущем имеет смысл. И он переориентировал нас на лазерные интерферометры", — вспоминает Валерий Митрофанов.

У Брагинского были хорошие связи с Кипом Торном, который не раз приезжал в МГУ и много от него воспринял. Постройка установки, однако, даже для советской промышленности была неподъемным делом.

"Это очень дорого. Вакуумная система львиную долю стоимости занимает: камеры, трубы и так далее. Детектор стоит миллиард долларов. Спрашивают, заслуженно ли Нобелевскую премию дали Торну, Вайсу и Бэришу? Торн и Вайс уже были известными учеными, и они поставили на кон свою репутацию. Сказали: "Давайте делать так, выделите средства". Убедили, хотя было много противников. Мол, зачем вы им даете деньги? Ничего же не получится! Получилось, но сколько времени понадобилось? Двадцать лет", — объясняет ученый.

В 1980 году Вайсу предоставили финансирование от Национального научного фонда США для постройки прототипа большого интерферометра. Гравитационные волны впервые зарегистрировали в конце 2015-го.

© Фото : Caltech/MIT/LIGO Lab

Лаборатория LIGO недалеко от Ливингстона, штат Луизиана

Что ограничивает чувствительность LIGO

В США установили два детектора LIGO на расстоянии три тысячи километров друг от друга — в Хэнфорде и Ливингстоне. С 2010 по 2015 год систему модернизировали. Теперь она называется Advanced LIGO. С ней работает большая международная коллаборация ученых, в том числе две научные группы из России — из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и МГУ (Москва).

"Владимир Брагинский собрал единомышленников, поставил масштабные задачи, и мы были на передовых позициях: делали самые добротные колебательные системы. Поэтому естественно, что мы в LIGO", — уточняет Валерий Митрофанов.

Advanced LIGO в США и Virgo в Италии — это второе поколение гравитационно-волновых детекторов. Практически идентичный им собираются построить в Южном полушарии — в Индии, чтобы точнее определять местоположения космических источников гравитационных волн. Дело движется медленно из-за организационных проблем. Скорее всего, к концу третьего научного цикла наблюдений (обозначается как O3) не успеют.

KAGRA — японский криогенный детектор, относится еще к первому поколению. Подключить его к LIGO планируют в конце O3 — это середина 2021 года, чтобы выйти на рабочий режим в четвертом цикле.

Чувствительность детектора определяют по тому, на каком расстоянии он способен зафиксировать признаки слияния нейтронных звезд массой 1,4 массы Солнца. Сейчас Advanced LIGO в Ливингстоне доступны 130 мегапарсек. Величина чудовищная. К примеру, от Земли до ближайшей звезды Проксима Центавра — 1,3 парсека. Плановая же чувствительность установки — 200 мегапарсек.

"Что сейчас ограничивает чувствительность детекторов? Тепловой шум в зеркальных покрытиях пробных масс. Это цилиндры из плавленого кварца под сорока четвертьволновыми слоями диэлектриков с разным коэффициентом преломления света, в которых отраженный свет суммируется и уносит почти всю энергию. В пределе коэффициент поглощения в покрытиях не превышает 10^-6", — продолжает профессор.

Слой зеркала — всего четверть микрона, атомы в нем хаотично движутся (броуновское движение) и коллективно раскачивают сорокакилограммовый кварцевый цилиндр. Один из путей решения проблемы — найти покрытие с меньшей диссипацией механической энергии. Это направление развивает множество научных групп, но пока серьезных прорывов нет.

Флуктуации потока фотонов в лазерном излучении создают еще два вида помех: шум на фотодетекторе и раскачивание зеркала. Увеличение оптической мощности помогает справиться с первым шумом. Сейчас LIGO работает на 200 киловаттах, запланировано — 800. Ослабить второй поможет свет с частотно-зависимым сжатием, о котором будет рассказано ниже.

Физики создают самый лучший маятник

"В каждом плече интерферометра размещены по четыре пробные массы, образующие четырехступенчатый подвес. Основное зеркало висит на кварцевых нитях, остальные — на металлических. Их необходимо двигать. Как? С помощью электростатических сил, которые приложены между основной и висящей рядом реактивной массой", — рассказывает Валерий Митрофанов.

Многоступенчатая система антисейсмической защиты гасит почти все вмешательства извне, включая подземные толчки. Максимальная амплитуда колебаний, допустимая для зеркал из-за шумов, — 10-¹⁹ метра. Вот какая невероятная точность нужна.

© РИА Новости / Татьяна Пичугина

Пробная масса из плавленого кварца на кварцевых подвесах. На таких образцах изучали добротность систем, которые позже стали частью детектора LIGO. Лаборатория Валерия Митрофанова в МГУ.

Ученые МГУ продемонстрировали экспериментально, что можно сделать квазимонолитные подвесы пробных масс со временем релаксации в пять лет. По этим разработкам в Университете города Глазго (Великобритания) создали индустриальную систему для подвески зеркал в LIGO.

"Наш учитель Владимир Борисович Брагинский еще в 1967 году вывел уравнение стандартного квантового предела чувствительности, показывающее, до какой степени нужно освободиться от этих шумов, где тот предел, минимальные смещения, которые можно измерить. Все это определяется законами квантовой механики. Предел зависит от постоянной Планка, массы, времени измерения сигнала. Чем больше масса зеркал, тем меньшее смещение удастся измерить. Получается, в любом случае надо увеличивать массу", — поясняет ученый принципы, на которых основана конструкция детектора.

Брагинский с коллегами доказали, что в детекторе при комнатной температуре лучше использовать пробные массы из плавленого кварца, а не сапфира. Российские физики первыми разобрались с шумами в покрытиях, выполнили все расчеты.

"В 2001 году Брагинский предсказал еще один эффект — возникновение параметрической нестабильности. Массы вдруг сами по себе начинают сильно раскачиваться, то есть энергия из оптической моды перекачивается в энергию механических колебаний, и это мешает измерениям. В 2015 году в LIGO обнаружили этот эффект", — говорит физик.

© Фото : Caltech/MIT/LIGO Lab

Пробная масса LIGO в подвесе

Свет помогает заглянуть под квантовый уровень шума

В LIGO система измерений применяет сжатый свет. Это так называемое неклассическое состояние, позволяющее точнее измерять либо амплитуду, либо фазу световой волны. Сделать это одновременно нельзя из-за квантовой неопределенности.

Сжатие света по фазе уменьшает ее неопределенность и помогает преодолеть стандартный квантовый уровень шума в потоке фотонов. Таким образом, интерферометр измеряет смещение зеркал с еще большей точностью.

"На высоких частотах мы подавляем флуктуации фазы. Но тогда усиливаются флуктуации амплитуды, которые раскачивают зеркала. А чем меньше частота, тем лучше раскачивается зеркало. Что делать? Нужно использовать частотно-зависимое сжатие света", — делает вывод Валерий Митрофанов.

Это реализуют в проекте LIGO A+. Его разместят в тех же тоннелях с той же вакуумной системой. Заменят пробные массы на стокилограммовые. Детектор почувствует источники гравитационных волн на расстоянии в три раза большем, в 27 раз чаще будет регистрировать события. Сейчас это примерно раз в неделю.

Следующие поколения детекторов уже на подходе

Тепловой шум в зеркалах и их покрытиях можно снизить еще одним способом: охладив до температуры жидкого азота или даже гелия. Вот почему детекторы третьего поколения планируют делать криогенными — LIGO Voyager (США) и Einstein Telescope (ЕС). Это запланировано к концу следующего десятилетия.

"Наш задача — понять, как создать низкотемпературный подвес. Плавленый кварц не годится, будут большие потери. Остается кремний или сапфир. Мы делаем упор на кремний и изучаем, какую максимальную добротность можно получить, если изготавливать из него пробные массы, нити или ленты для подвесов. Коэффициент теплового расширения у кремния проходит через ноль, и целый класс потерь при температуре 123 Кельвина зануляется. Это очень хорошо, но есть и проблемы", — отмечает ученый.

На чем подвешивать пробную массу? Вытянуть ниточку из кремния и приварить к цилиндру нельзя, поскольку это кристаллический материал. Специалисты тестируют технологию silicate-bonding, или силикатного склеивания. Только клея там нет, все происходит за счет химических связей. Важно понять, какие потери возникают при таком соединении и какова добротность всей системы.

Чтобы охладить пробную массу весом сто-двести килограммов, нужно покрывать ее черным материалом. Но тогда сразу уменьшится добротность. Пока меньше всего потерь в покрытиях из углеродных нанотрубок. Однако материал очень нежный.

"Дальше — разработка детектора Cosmic explorer: это новые вакуумные системы, камеры, трубы. Как еще повысить чувствительность? Остается только увеличить длину плеч хотя бы до десяти километров. Чувствительность поднимется в 2,5 раза", — уточняет физик.

© Иллюстрация РИА Новости

Заглянуть в Большой взрыв и найти темную материю

Что нового ученые надеются увидеть с помощью более чувствительных детекторов? В первую очередь, процесс слияния нейтронных звезд и черных дыр. Здесь пока много неясного.

"Есть непрерывные источники гравитационных волн: нейтронные звезды, пульсары, двойные системы, когда один объект вращается вокруг другого. От них сигнал слабее, зато непрерывен. Его долго можно копить и выделять", — перечисляет Валерий Митрофанов.

"Еще интересный источник для LIGO — стохастический фон, и в частности реликтовое гравитационное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Изучить его можно по шумам: если есть корреляция данных о шумах в разных детекторах, значит, что-то воздействует на тот и другой одновременно", — рассуждает ученый.

Мечта астрономов — зарегистрировать взрыв сверхновой, чтобы наблюдать это событие в гравитационных волнах, во всех электромагнитных диапазонах и по потоку нейтрино.

Еще одно направление — изучение гравитационных волн, родившихся сразу после Большого взрыва. Но для этого требуется предельная чувствительность гравитационно-волновых детекторов, которую достигнут в лучшем случае к середине века.

Определенные надежды на детекторы нового поколения возлагают исследователи темной материи и энергии.

Ученые надеются также проверить Общую теорию относительности в очень сильных гравитационных полях. Пока все эксперименты хорошо совпадают с расчетами, нет противоречий. Но что происходит после того, как две черные дыры сольются? Вдруг возникнут какие-то отклонения от теории? Для ответа на это вопрос пока не хватает чувствительности детекторов.

Важнейший практический вклад LIGO — развитие технологий, применение очень необычных изобретений, таких, например, как сжатый свет. Не исключено, что в будущем наработки, опробованные в гравитационно-волновых детекторах, найдут массовое применение.

"LIGO — конечно, произведение искусства со всех точек зрения. Главное, это начало гравитационно-волновой и мультиканальной астрономии, когда объекты исследуют сразу всеми способами. Сейчас будут меняться представления о космосе. Астрономам предстоит много работы", — подчеркивает Валерий Митрофанов.

Возможно, в далеком будущем именно эти детекторы ответят на главный вопрос человечества: научимся ли мы управлять пространством-временем? Как об этом задумывается Кип Торн, как показано в фильме "Интерстеллар".

"Вопрос непростой. Нужны колоссальные энергии, чтобы хоть что-то двигать. Но ведь когда Генри Герц открыл электро-магнитные волны, разве мог он подумать, что это приведет к изобретению мобильных телефонов и всего того, что мы имеем сейчас?" — заключает ученый.