Новая система адаптивной оптики обещает более четкие наблюдения гравитационных волн

Технология обнаружения гравитационных волн готова сделать большой скачок вперед благодаря прогрессу в области приборостроения во главе с физиком Джонатаном Ричардсоном из Калифорнийского университета в Риверсайде. В статье с подробным описанием изобретения, опубликованной в журнале Optica сообщается об успешной разработке и тестировании FROSTI, полномасштабного прототипа для управления лазерными волновыми фронтами на экстремальных уровнях мощности внутри лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO. Сообщает издание phys.org

LIGO - это обсерватория, которая обнаруживает гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, вызванную массивными ускоряющимися объектами, такими как слияние черных дыр. Он был первым, кто подтвердил их существование, поддерживая теорию относительности Эйнштейна. LIGO использует два лазерных интерферометра длиной 4 км в Вашингтоне и Луизиане для захвата этих сигналов, открывая новое окно во Вселенную и углубляя наше понимание черных дыр, космологии и экстремальных состояний материи.

Зеркала LIGO являются одними из самых точных и тщательно спроектированных компонентов обсерватории. Каждое зеркало имеет диаметр 34 см и 20 см толщиной и весит около 40 кг. Зеркала должны оставаться совершенно неподвижными, чтобы обнаружить искажения в пространстве-времени размером менее 1/1000 диаметра протона. Даже малейшая вибрация или возмущение окружающей среды могут перегружать сигнал гравитационных волн.

«В основе нашей инновации лежит новое устройство адаптивной оптики, предназначенное для точной перестройки поверхностей главных зеркал LIGO под действием лазерных сил, превышающих 1 мегаватт — более чем в миллиард раз прочнее, чем типичная лазерная указка, и почти в пять раз больше мощности, которую LIGO использует сегодня», — сказал Ричардсон, доцент кафедры физики и астрономии. «Эта технология открывает новый путь для будущего гравитационно-волновой астрономии. Это важный шаг к тому, чтобы позволить следующему поколению детекторов, таких как Cosmic Explorer, которые будут видеть глубже во Вселенной, чем когда-либо прежде».

Кто-то сказал Фроста?

FROSTI, сокращенно от FROnt Surface Type Irradiator, представляет собой прецизионную систему управления волновым фронтом, которая противодействует искажениям, вызванным интенсивным лазерным нагревом в оптике LIGO. В отличие от существующих систем, которые могут вносить только грубые корректировки, FRSTI использует сложную систему термической проекции для внесения тонко настроенных коррекций более высокого порядка. Это имеет решающее значение для точности, необходимой в будущих детекторах.

Несмотря на свое ледяное название, FROSTI работает, тщательно нагревая поверхность зеркала, но таким образом, чтобы восстановить его первоначальную оптическую форму. Используя тепловое излучение, он создает пользовательский тепловой паттерн, который сглаживает искажения без введения избыточного шума, который может имитировать гравитационные волны.

Почему это важно

Гравитационные волны были впервые обнаружены LIGO в 2015 году, начав новую эру в астрономии. Но чтобы полностью раскрыть свой потенциал, будущие детекторы должны иметь возможность наблюдать более отдаленные события с большей ясностью.

«Это означает, что вы нажимает ограничения как на мощность лазера, так и на квантовый уровень точности», — сказал Ричардсон. «Проблема в том, что увеличение мощности лазера имеет тенденцию разрушать деликатные квантовые состояния, на которые мы полагаемся, чтобы улучшить четкость сигнала. Наша новая технология решает это напряжение, следя за тем, чтобы оптика оставалась неискаженной, даже при мегаваттных уровнях мощности».

Технология поможет расширить гравитационно-волновое представление о Вселенной в 10 раз, потенциально позволяя астрономам обнаруживать миллионы слияний черных дыр и нейтронных звезд по всему космосу с непревзойденной точностью.

Забегая вперед: LIGO A# и Cosmic Explorer

Ожидается, что FRSTI сыграет решающую роль в LIGO A#, запланированном обновлении, которое послужит первопроходцем для обсерватории следующего поколения, известной как Cosmic Explorer. В то время как текущий прототип был протестирован на 40-килограммовом зеркале LIGO, технология масштабируема и в конечном итоге будет адаптирована к зеркалам весом 440 кг, предусмотренным для Cosmic Explorer.

«Нынешний прототип — это только начало», — сказал Ричардсон. «Мы уже разрабатываем новые версии, способные исправлять еще более сложные оптические искажения. Это основа исследований и разработок для следующих 20 лет гравитационно-волновой астрономии».

Ричардсон присоединился к исследованиям ученых из UCR, MIT и Caltech.

Больше информации: Тайлер Розауэр и др., Демонстрация привода волн следующего поколения для обнаружения гравитационных волн, Optica (2025). ДОИ: 10.1364/оптика.567608

Информация для журнала: Optica Предоставляется Калифорнийский университет в Риверсайде

Опубликовано на сайте: 2025-10-05