Модификация LIGO тысячекратно облегчила поиск гравитационных волн

Радикальная техническая модернизация Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в настоящее время завершена,

PhysicsWorld. Чувствительность обсерватории выросла в 10 раз, что должно повысить вероятность обнаружения гравитационных волн в тысячу раз. Первые данные от детектора поступят в сентябре 2015 года, когда обновленная обсерватория выйдет на одну треть от своей полной мощности.

Последняя модернизации комплекса, после которого его будут называть Advanced LIGO, обошлась в 200 миллионов долларов и позволила значительно повысить защищенность его аппаратуры от внешних колебаний. Для этого зеркала и лазеры интерферометров разместили на системе актуаторов, компенсирующих внешние колебания от микротолчков и даже дорожного трафика. Из-за этого чувствительность каждого из интерферометров, имеющих четырехкилометровые «плечи», поднялась в десять раз.

Детектор гравитационных волн LIGO состоит из двух крупных комплексов, один из которых находится в штате Луизиана, а другой – в штате Вашингтон. Каждый из двух интерферометров состоит из двух Г-образных туннелей, состыкованных под прямым углом. В каждом из рукавов туннеля система зеркал образует резонатор Фабри — Перо. 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.

Расстояние между двумя частями Advanced LIGO составляет около трех тысяч километров. Поскольку считается, что скорость распространения гравитационных волн равна световой, этого пространственного разноса должно хватить, чтобы оптические интерферометры в двух частях комплекса зафиксировали разницу во времени регистрации входящей гравитационной волны. В этом случае та часть обсерватории, что зарегистрирует волну первой, укажет на направление, откуда пришла такая волна.

Считается, что потенциальным источником гравитационных волн могут быть системы сливающихся нейтронных звезд или черных дыр. По расчетам создателей, до модернизации LIGO могла регистрировать сближение и слияние пары нейтронных звезд околосолнечной массы на расстоянии до 26 млн световых лет. Вероятность этого события в данном объеме ближайшего космоса составляет не более 0,01 в год. После модернизации и десятикратного увеличения чувствительности, обсерватория сможет уловить такие события в тысячекратно большем объеме пространства. Предполагается, что теперь детектор сможет «увидеть» до десятка подобных событий в год.

Образование гравитационных волн было предсказано в рамках Общей теории относительности еще в начале XX века. Однако до сих пор прямых доказательств их существования получено не было. Создатели Advanced LIGO надеются, что эксперимент, наконец, позволит решить задачу, поставленную перед экспериментальной физикой в 1960-х.