Учёные нашли способ усилить детекторы гравитационных волн LIGO в 1000 раз и заглянуть в эпоху до рождения первых звёзд

Учёные Калифорнийского университета разработали новую оптическую технологию, способную значительно расширить возможности гравитационно-волновых обсерваторий.

Новая технология призвана решить одну из ключевых проблем, стоящих перед такими обсерваториями, как LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Речь идёт о достижении уровней мощности лазера, превышающих 1 мегаватт, что значительно превосходит текущие возможности LIGO.

Исследователи разработали новый подход к адаптивной оптике с низким уровнем шума и высоким разрешением. Эта технология способна корректировать искажения основных 40-килограммовых зеркал LIGO, возникающие при увеличении мощности лазера из-за нагрева. Такой прорыв открывает путь к созданию гравитационно-волновых детекторов, способных работать с экстремально высокими уровнями мощности лазера.

Джонатан Ричардсон, доцент кафедры физики и астрономии, поясняет, что гравитационные волны представляют собой новый способ наблюдения за Вселенной. Они возникают при ускорении или столкновении массивных объектов во Вселенной, создавая искажения в ткани пространства-времени. Эти волны несут информацию об экстремальных астрофизических объектах, таких как чёрные дыры, и о физике, лежащей в основе природы пространства-времени.

LIGO, одна из крупнейших научных установок в мире, состоит из двух лазерных интерферометров длиной 4 километра, расположенных в штате Вашингтон и недалеко от Батон-Руж (Луизиана). Эти обсерватории работают в тандеме, «прослушивая» любые искажения пространства-времени, которые могут распространяться через Землю в виде гравитационной волны.

На сегодняшний день LIGO зафиксировала около 200 событий столкновения и слияния компактных объектов звёздной массы. Подавляющее большинство из них были слияниями двух чёрных дыр, но также наблюдались слияния нейтронных звёзд.

Новая технология, разработанная в лаборатории Ричардсона, предназначена для обеспечения точных оптических коррекций непосредственно на основных зеркалах интерферометров LIGO. Инструмент располагается всего в нескольких сантиметрах перед отражающей поверхностью этих зеркал и проецирует корректирующее инфракрасное излучение с очень низким уровнем шума на переднюю поверхность зеркала. Это первый прототип нового подхода, использующего оптические принципы, которые никогда ранее не применялись в обнаружении гравитационных волн.

Исследование также имеет важное значение для будущего проекта Cosmic Explorer – концепции гравитационно-волновой обсерватории следующего поколения после LIGO. Cosmic Explorer будет в 10 раз больше LIGO, с интерферометрическими плечами длиной 40 километров, что сделает его крупнейшим научным инструментом. При проектной чувствительности эти детекторы смогут наблюдать Вселенную в более ранние времена, чем сформировались первые звёзды, когда возраст Вселенной составлял около 0,1% от её нынешнего возраста в 14 миллиардов лет.

Новая технология обещает ответить на некоторые из самых глубоких вопросов в физике и космологии, такие как скорость расширения Вселенной и истинная природа чёрных дыр. В настоящее время существуют два противоречащих друг другу измерения локальной скорости расширения Вселенной, которые потенциально могут быть разрешены с помощью гравитационных волн. Кроме того, гравитационные волны обеспечат высокоточные измерения детальной динамики вокруг горизонтов событий чёрных дыр, позволяя проводить прямые тесты классической общей теории относительности и альтернативных теорий.