16 Июля 2019
МОСКВА, 16 июля —, Татьяна Пичугина. За почти четыре года работы детекторы LIGO и Virgo приметили гравитационные волны от слияния десятерых пар черных дыр и какой-либо 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 рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического департамента МГУ имени М. В. Ломоносова, лауреат Государственной премии в области науки и технологий, руководитель научной ассоциации 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 приметить гравитационные волны. Раз есть 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 температуры жидкого гелия. Дорого со всех точек зрения, — говорит Валерий Митрофанов.
В те годы он, студент физиологического 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 подметил, 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, профессор физического факультета МГУ, лауреат Государственной премии в области науки 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 сферы науки и технологий, воротила научной группы в коллаборации LIGO. Ученые понимают, что нужна длинная база
В 1962 году советские ядерщики 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 колледже и Кип Торн в Калтехе.
Лазерный луч разделяется на два потока, которые движутся по различным плечам интерферометра, расположенным под прямым углом друг к другу. В конце пути они отражаются от зеркальных покрытий на пробных массах. Так продолжают 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 ступенька меняется, и объединенный узел дает в фотодетекторе особую картину интерференции. Иллюстрация Устройство гравитационно-волнового детектора LIGO. Измерения происходят с помощью лазерного 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 перемещаться, 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 скрепы с Кипом Торном, который не раз приезжал в МГУ и много от него усмотрел. Постройка установки, однако, даже для советской фармпромышленности была неподъемным делом.
Это очень достаточно дорогого. 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 направили финансирование от Национального научного фонда 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 детектор 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 функционирует 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: придумывали 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 перемещается 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 выйти на рабочий режим в четвертом цикле.
Чувствительность детектора определяют по тому, на каком максимальное расстоянье он способен зафиксировать признаки соединения 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 решительность. В пределе коэффициент слияния в покрытиях не превышает 10-6, — продолжает профессор.
Слой зеркала — всего четверть микрона, атомы в нем хаотично движутся (броуновское перемещение) и коллективно раскачивают сорокакилограммовый кварцевый цилиндр. Один из путей решения проблемы — найти покрытие с меньшей диссипацией машинной энергии. Это направление прокачивает 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 помещённым по четыре пробные массы, образующие четырехступенчатый подвес. Основное зеркало висит на кварцевых нитках, остальные — на железных. Их необходимо двигать. Как? С помощью электростатических сил, которые приложены между основной и висящей рядом быстрой массой, — рассказывает Валерий Митрофанов.
Многоступенчатая система антисейсмической защищенности гасит почти все вмешательства извне, включая подземные толчки. Максимальная амплитуда колебаний, законная 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 исследовали добротность систем, которые позже стали частью детектора LIGO. Лаборатория Валерия Митрофанова в МГУ.
Учены 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 промышленную 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 перемещения, 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 варианте 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 ядерщики 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 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 подлаживает сжатый свет. Это так называемое неклассическое состояние, разрешающее точнее измерять либо амплитуду, либо фазу световой волны. Сделать это одновременно нельзя из-за квантовой неопределенности.
Сжатие света по фазе уменьшает ее неконкретность 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 ступеньки. Но тогда усиливаются флуктуации амплитуды, которые раскачивают отражения. А чем меньше плотность, тем лучше раскачивается отражение. Что делать? Нужно использовать частотно-зависимое сжатие света, — делает вывод Валерий Митрофанов.
Это реализуют в проекте LIGO A+. Его поместят 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 раскладе
Тепловой шум в зеркалах и их покрытиях можно снизить еще одним методом: охладив до температуры водянистого азота или даже гелия. Вот почему детекторы третьего происхождения 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 убыли. 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 термического расширения у кремния проходит через ноль, и целый класс потерь при температуре 123 Кельвина зануляется. Это очень уместного, но есть и проблемы, — отмечает ученый.
На чем подвешивать пробную массу? Вытянуть ниточку из силиция и приварить к цилиндру нельзя, поскольку это кристаллический контент. Специалисты тестируют технологию silicate-bonding, или силикатного склеивания. Только клея там нет, все происходит за счет хих 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 высококачественность. Пока меньше всего убылей в покрытиях из углеродных нанотрубок. Однако материал очень тепличный.
Дальше — разработка обнаружителя Cosmic explorer: это свежие вакуумные системы, камеры, трубы. Как еще продлить чувствительность? Остается только прирастить длину плеч хотя бы до десяти километров. Чувствительность взлетит в 2, 5 раза, — уточняет физик. Иллюстрация Развитие гравитационно-волновых интерферометров Иллюстрация Заглянуть в Большой взрыв и найти неясную материю
Что нового ученые надеются увидеть с помощью более чувствительных детекторов? В первую очередь, процесс слияния нейтронных звезд и черноватых 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 гуках в разных детекторах, значит, что-то воздействует на тот и другой одновременно, — рассуждает ученый.
Мечта астрономов — открыть 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 свежего 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 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, привлечение очень необычных изобретений, таких, например, как краткий 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 откликнутся на главный вопрос человечества: научимся ли мы управлять пространством-временем? Как об этом задумывается Кип Торн, как подписанного в фильме Интерстеллар.
Вопрос непростой. Нужны колоссальные энергии, чтобы хоть что-то двигать. Но ведь когда Генри Герц зарегистрировал электро-магнитные волны, разве мог он подумать, что это приведет к изобретению мобильных видеотелефонов 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....