Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO закрылась на модернизацию. Ее ждет значительное техническое обновление, после которого она сможет регистрировать гравитационные волны каждые несколько часов, сообщает Nature.

Это будет второе крупное обновление в истории LIGO после запуска в 2002 году.

На модернизацию LIGO США и Великобритания выделят порядка $35 млн. Национальный научный фонд США предоставит $20,4 млн. на проект Advanced LIGO + (или A +), еще $13,7 млн — агентство по исследованиям и инновациям Великобритании (при небольшом финансовом участии Австралии). На двух объектах LIGO в штатах Вашингтон и Луизиана планируеют установить 300-метровый оптический резонатор. Это поможет ученым манипулировать квантовыми свойствами лазера в основе системы обнаружения LIGO и снизить уровень квантового шума.

LIGO состоит из двух Г-образных интерферометров, расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), каждый из которых имеет два “плеча” длиной в 4 километра (плечо — оптический путь, по которому двигаются лучи света). Эти интерферометры необходимы для измерения гравитационных волн (возмущение метрики пространства-времени), которые впервые были зарегистрированы в 2015 году на детекторе LIGO.  

Всего же за время своей работы гравитационно-волновая обсерватория обнаружила следы 10 слияний черных дыр и 1 слияния нейтронных звезд.

МОДЕРНИЗАЦИЯ LIGO

Новая модификация повысит чувствительность обсерватории на 50%.

По словам физика Кена Стрейна из университета Глазго (Великобритания), если все пойдет по плану, LIGO сможет обнаруживать слияния нейтронных звезд на расстоянии 325 мегапарсек (около 1 миллиарда световых лет) от Земли, сейчас же он способен делать это на расстоянии 173 мегапарсек (чуть больше 550 миллионов световых лет).

Что касается всплесков от слияния черных дыр — LIGO уже способен регистрировать такой сигнал от объектов, находящихся от нас за миллиарды световых лет. По словам ученых, к 2022 году обсерватория сможет фиксировать одно слияние черных дыр в день, а последующая установка обновление “A +” позволит обнаруживать гравитационные волны каждые несколько часов.

“Повысится не только частота открытий, но и их качество”, — говорит Барри Бэриш, лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года и бывший директор LIGO (с 1997 по 2006 года). — “Например, снижение шума даст возможность исследователям узнать, как черные дыры вращались до слияния, это откроет тайну их истории. Сейчас у нас нет такой технической возможности”

КОГДА МЕШАЕТ ШУМ…

Гравитационно-волновые интерферометры состоят из двух Г-образных туннелей, которые состыкованы под прямым углом. В каждом из рукавов туннеля на конце находятся зеркала, через которые пропускается лазер. Перед разветвлением туннелей луч лазера расщепляется делителем на два перпендикулярных друг другу компонента, каждый из которых затем многократно отражается от установленных в туннелях зеркал. Если в какой-то момент времени сильные гравитационные волны через интерферометр не проходят, то два переотраженных луча одновременно возвращаются обратно к лазеру. Но если на них окажет воздействие достаточно мощная гравитационная волна, то лучи наложатся друг на друга и в этом случае отразятся не обратно к источнику, а попадут в фотодетектор, который и зарегистрирует факт прохождения волны. Вероятность такого исхода зависит от длины пробега лазерных пучков в “плечах” интерферометра и от его защищенности от внешних колебаний, которые могли бы повлиять на стабильность «маршрутов», по которым проходят пучки.

На практике зеркала не могут быть полностью защищены от тепловых и сейсмических колебаний. Более того, из-за квантово-механических эффектов сам лазер производит фоновый шум, который “переплетается” с сигналом гравитационных волн. Ученым важно ослабить эти источники шума и извлечь полезный сигнал.

Модернизация LIGO включает в себя внедрение технологии, называемой “сжатым светом”. Похожая технология используется на интерферометре Virgo (франко-итальянский детектор гравитационных волн). Другие улучшения предполагают установку новых зеркал с современными покрытиями, которые помогут снизить уровень теплового шума в четыре раза.

Ученые считают, что гравитационные волны помогут не только узнать больше о черных дырах и нейтронных звездах, но и решить загадку расширения Вселенной.

LIGO возобновит работу в 2022-2024 годах.