16 Июля 2019
МОСКВА, 16 июля —, Татьяна Пичугина. За почти четыре года диссертации детекторы LIGO и Virgo выяснили 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 трансформации. О новых поколениях гравитационно-волновых детекторов рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического департамента МГУ имени М. В. Ломоносова, лауреат Государственной премии в области науки и технологий, руководитель научной бригады 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 электронных зарядов, не существуют гравитационные заряды (массы) с разными знаками, зарегистрировать их проблематично.
Некоторые ученые скептически относились к этой теории. Сомнения истины и у Эйнштейна. Тем не менее физики пытались выяснить гравитационные волны. Раз рубать взаимодействие, значит, его можно измерить. Вопрос в чувствительности аппаратуры.
В середине 1960-х южноамериканский 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 истины. Их охлаждали до повышенная 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 бесконечнее колебания не затухают. То есть меньше диссипация энергии и уровень теплового шума.
Вебер сообщил, что обнаружил гравитационные волны. Брагинский сказал: А мы не обнаружили. Вот так это начиналось, — продолжает профессор. Фото : Дарья Смирнова/Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ департамента журналистики МГУВалерий Митрофанов, мастак физического факультета МГУ, лауреат Государственной премии в области бездна премудрости и технологий, руководитель научной группы в коллаборации LIGO. Фото : Дарья Смирнова/Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ факультета журналистики МГУВалерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ, лауреат Государственной премии в зоны науки и технологий, руководитель научной группы в коллаборации LIGO. Ученые понимают, что отличная длинная база
В 1962 году советские преподаватели 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 наплыва, которые движутся по неодинаковым плечам интерферометра, расположенным под прямым углом друг к дружку. В конце пути они отражаются от зеркальных покрытий на пробных массах. Так отзывают тяжелые цилиндры, подвешенные как маятники. Далее потоки квантов 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 полоса меняется, и объединенный пучок дает в фотодетекторе особую картину интерференции. Иллюстрация Устройство гравитационно-волнового детектора LIGO. Измерения происходят с помощью лазерного солнечного света, который отражается от покрытий массивных кварцевых цилиндров Иллюстрация Устройство гравитационно-волнового детектора LIGO. Измерения происходят с помощью лазерового света, который отражается от покрытий массивных кварцевых цилиндров
Формально первыми истины Герценштейн и Пустовойт, гражданин сши это признают. Тогда как раз появились первые лазеры. Говорили, что даже такие детекторы не сработают, лучи никогда не обеспечат такую стабильность, чтобы измерять. Можно было в разных направлениях идти, 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 интриги с Кипом Торном, какой не раз приезжал в МГУ и много от него воспринял. Постройка установки, однако, даже для советской солепромышленности была неподъемным делом.
Это очень дорогущего. Вакуумная система львиную судьбу 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, — вдолдонивает ученый.
В 1980 году Вайсу гарантировали финансирование от Национального научного запаса США для постройки прототипа большого интерферометра. Гравитационные волны впервые зарегистрировали в конце 2015-го. Фото : Caltech/MIT/LIGO LabЛаборатория LIGO недалеко от Ливингстона, штат Луизиана Фото : Caltech/MIT/LIGO LabЛаборатория LIGO недалеко от Ливингстона, штат ЛуизианаЧто ограничивает чувствительность LIGO
В США установили два детектора LIGO на расстоянии три тысячи километров дружок от друга — в Хэнфорде и Ливингстоне. С 2010 по 2015 год систему модернизировали. Теперь она называется Advanced LIGO. С ней коптит 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 огромные задачи, и мы истины на передовых позициях: творили 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 идёт медленно из-за организационных проблем. Скорее всего, к капуту третьего научного цикла наблюдений (обозначается как O3) не успеют.
KAGRA — самурайский криогенный детектор, относится еще к первому поколению. Подключить его к LIGO планируют в конце O3 — это середина 2021 года, чтобы вышмыгнуть 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. 26 марфа, 19:12Обсерватории ViRGO и LIGO готовы к новым поискам гравитационных волн
Что сейчас ограничивает чувствительность обнаружителей? 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 активность. В пределе коэффициент вобрания 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 — выловить покрытие с меньшей диссипацией машинальной энергии. Это направление раскручивает множество научных групп, но пока серьезных прорывов нет.
Флуктуации потока фотонов в лазеровом 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 предоставленным по четыре пробные массы, образующие четырехступенчатый подвес. Основное зеркало висит на кварцевых нитках, остальные — на чугунных. Их необходимо двигать. Как? С помощью электростатических сил, которые приложены между основной и висящей рядом реактивной массой, — рассказывает Валерий Митрофанов.
Многоступенчатая система антисейсмической апологии гасит почти все вмешательства извне, включая подземные толчки. Максимальная амплитуда колебаний, возможная для зеркал из-за шумов, — 10-19 метра. Вот какая невероятная точность нужна. / Татьяна ПичугинаПробная масса из плавленого кварца на кварцевых подвесах. На таких образцах изучали добротность систем, которые позже стали частью обнаружителя LIGO. Лаборатория Валерия Митрофанова в МГУ. / Татьяна ПичугинаПробная масса из плавленого кварца на кварцевых подвесках. На таких образцах рассматривали добротность систем, которые позже стали частью детектора LIGO. Лаборатория Валерия Митрофанова в МГУ.
Ученые МГУ продемонстрировали экспериментально, что можно сделать квазимонолитные подвесы примерных масс со временем релаксации в пять лет. По сим разработкам в Университете города Глазго (Великобритания) создали смазочную 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 подходящий моменте надо увеличивать массу, — поясняет ученый принципы, на которых основана конструкция обнаружителя.
Брагинский с коллегами доказали, что в детекторе при комнатной температуре лучше использовать пробные массы из плавленого кварца, а не сапфира. Российские преподаватели 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 рубать энергия из оптической моды переваливается в энергию механических колебаний, и это мешает измерениям. В 2015 году в LIGO обнаружили этот эффект, — говорит физик. Фото : Caltech/MIT/LIGO LabПробная масса LIGO в подвесе Фото : Caltech/MIT/LIGO LabПробная масса LIGO в подвеске Свет помогает заглянуть под квантовый уровень шума
В LIGO система измерений клеит сжатый свет. Это так называемое неклассическое состояние, дозволяющее точнее измерять либо амплитуду, либо фазу световой волны. Сделать это одновременно нельзя из-за квантовой неопределенности.
Сжатие солнечного света по фазе уменьшает ее неопределенность и помогает преодолеть стандартный квантовый уровень шума в потоке квантов. Таким образом, интерферометр измеряет смещение зеркал с еще большей точностью.
На высоких частотах мы подавляем флуктуации полосы. Но тогда усиливаются флуктуации амплитуды, которые раскачивают отражения. А чем меньше гармоника, тем лучше раскачивается отражение. Что делать? Нужно использовать частотно-зависимое сжатие света, — делает вывод Валерий Митрофанов.
Это реализуют в проекте LIGO A+. Его предоставят 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. 25 апреля, 18:57LIGO и VIRGO зафиксировали второе слияние нейтронных звездСледующие поколения детекторов уже на подъезде
Тепловой шум в зеркалах и их покрытиях можно снизить еще одним модусом: охладив до температуры жидкого азота или даже гелия. Вот почему детекторы третьего племени планируют делать криогенными — LIGO Voyager (США) и Einstein Telescope (ЕС). Это запланировано к капуту следующего десятилетия.
Наш задача — понять, как создать криогенный подвес. Плавленый кварц не годится, будут большие утери. Остается кремний или камень. Мы делаем упор на кремний и изучаем, какой-никакую максимальную добротность можно получить, если изготавливать из него примерные массы, нити или ленты для подвесов. Коэффициент термического 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 силиция и приварить к цилиндру нельзя, поскольку это кристаллический препрег. Специалисты тестируют технологию silicate-bonding, или силикатного склеивания. Только клея там нет, все происходит за счет электрохимических связей. Важно понять, какие потери возникают при таком соединении и какова добротность всей системы.
Чтобы охладить пробную массу весом сто-двести килограммов, отличного покрывать ее черным материалом. Но тогда сразу уменьшится добротность. Пока меньше всего утерь в покрытиях из углеродных нанотрубок. Однако материал очень нежный.
Дальше — разработка обнаружителя Cosmic explorer: это новые вакуумные системы, камеры, трубы. Как еще увеличить чувствительность? Остается только улучшить длину плеч хотя бы до десяти километров. Чувствительность затеется в 2, 5 раза, — уточняет физик. Иллюстрация Развитие гравитационно-волновых интерферометров Иллюстрация Заглянуть в Большой взрыв и найти непроницаемую материю
Что нового ученые надеются увидеть с помощью более чувствительных детекторов? В первую очередь, процесс слияния нейтронных звезд и вороных 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 кратковременный зарождения Вселенной. Изучить его можно по шумам: если есть корреляция данных о гамах в разных детекторах, значит, что-то воздействует на тот и другой одновременно, — рассуждает ученый.
Мечта астрономов — оформить взрыв сверхновой, чтобы сматривать это событие в гравитационных волнах, во всех электромагнитных ассортиментах 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 жития.
Определенные надежды на детекторы нового поколения возлагают исследователи темной материи и энергии. 17 июня, 08:00 Все проаннигилировало, мир исчез. Ученый рассказал, что задумали в Японии
Ученые надеются также проверить Общую парадигму 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, использование очень необычных изобретений, таких, например, как смятый 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 автомобили исследуют сразу всеми способами. Сейчас будут меняться представления о космосе. Астрономам предстоит много работы, — подчеркивает Валерий Митрофанов.
Возможно, в далеком будущем именно эти детекторы отзовутся на главный вопрос человечества: научимся ли мы управлять пространством-временем? Как об этом размышляет Кип Торн, как обнаруженного в фильме Интерстеллар.
Вопрос непростой. Нужны колоссальные энергии, чтобы хоть что-то двигать. Но ведь когда Генри Герц наладил электро-магнитные волны, разве мог он подумать, что это приведет к изобретению мобильных домашний телефонов и всего того, что мы имеем сейчас? — заключает ученый.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....