Новый сеанс поиска гравитационных волн начнется в апреле

Очередной период наблюдений на гравитационно-волновых обсерваториях LIGO и Virgo начнется первого апреля и продлится год. Ожидаемая точность в течение нового сеанса должна существенно вырасти по сравнению с предыдущим, что позволит на переделе возможностей фиксировать слияния астрономических объектов в значительно большем объеме Вселенной. Соответствующий пресс-релиз опубликован на сайте Virgo.

LIGO и Virgo — это установки, предназначенные для поиска гравитационных волн от сливающихся черных дыр и нейтронных звезд. Они представляют собой оптические L-образные оптические интерферометры, по плечам которых постоянно движутся лазерные лучи, отражающиеся от зеркал в концах туннелей. После многократных отражений лучи сводятся в центре и интерферируют. Прохождение гравитационной волны немного изменяет расстояния между зеркалами, из-за чего между лазерами из разных плеч накапливается разность фаз, которая вычисляется по изменению интерференционной картины.

Существование гравитационных волн предсказывается общей теорией относительности (ОТО). Согласно ей при ускоренном движении масс во многих случаях будут генерироваться искажения пространства-времени, которые будут волнообразно удаляться от источника со скоростью света. Первым косвенным подтверждением гравитационных волн было наблюдение двойного пульсара, то есть двойной системы из наблюдаемой как пульсар нейтронной звезды и компактного компаньона, вращающихся вокруг общего центра масс на относительно небольшом расстоянии. Детальные исследования позволили обнаружить постепенное уменьшение орбитального периода пульсара, которое с высокой точностью согласуется с предсказываемой ОТО потерей энергии на излучение гравитационных волн.

В начале 2016 года было объявлено о состоявшейся в 2015 году первой прямой регистрации гравитационной волны обсерваторией LIGO. На данный момент зафиксировано 11 таких событий, из которых 10 являются слияниями черных дыр, а одно — слиянием нейтронных звезд, которое также удалось наблюдать обычными телескопами, детектирующими электромагнитное излучение. За эти открытия в 2017 году была вручена Нобелевская премия по физике.

В новом сообщении говорится, что после доработок, заключавшихся в замене лазеров, зеркал и некоторых других компонентов, обсерватории готовы приступить к новому этапу наблюдений, третьему по счету, благодаря чему он получил название O3. Комбинированная чувствительность пары антенн LIGO должна вырасти примерно на 40 процентов по сравнению с предыдущим сеансом наблюдений O2, а у Virgo — в два раза. Помимо улучшений отдельных установок, O3 станет первым периодом наблюдений, в котором LIGO и Virgo будут полноценно работать вместе на протяжении длительного времени. Ученые оценивают, что теперь слияния нейтронных звезд удастся зарегистрировать на расстояниях до 170 мегапарсек против 110 в течение прошлого сеанса.

Ключевым инженерным изменением стала замена лазеров и зеркал. Теперь источники излучения выдают импульсы в два раза большей мощности, вместо стальных тросов зеркала Virgo поддерживаются нитями из кварцевого стекла, а пять из восьми зеркал LIGO заменены. Также ученые начнут использовать новые методы борьбы с квантовыми шумами, связанными со случайными флуктуациями количества фотонов в лазерных импульсах. Физики решили воспользоваться наработками коллег, занимающихся небольшим гравитационным телескопом GEO600, — там уже несколько лет назад начали применять технологию сжатого света, которая позволяет уменьшать связанную с фундаментальным принципом неопределенности Гейзенберга неточность определения фазы излучения за счет увеличения ошибки амплитуды. Так как в работе гравитационных антенн в первую очередь важна именно фаза, определяющая интерференцию лучей, то такая модификация также способна повысить точность всей установки.

Ученые ожидают получения большого количества новой информации в течение очередного наблюдательного периода. В частности, регистрация слияний черных дыр должна стать обычным делом: по оптимистичным оценкам такие события будут фиксироваться с частотой около одного раза в неделю. Однако наиболее ценные результаты ожидаются от слияний быстровращающихся несимметричных нейтронных звезд — такие события трудно зафиксировать, но возможность одновременного наблюдения как гравитационного, так и электромагнитного сигнала потенциально позволяет наиболее детально исследовать физику экстремально сильных гравитационных полей. Новая система оповещения о гравитационных волнах должна рассылать доступные другим ученым уведомления в течение пяти минут, что позволит оперативно навести другие приборы на предполагаемый источник сигнала.

Ученые уже давно планируют улучшения установок после нового наблюдательного сеанса. В частности, существует программа улучшения LIGO A+, а также проект LIGO Voyager, который превратит установку в детектор третьего поколения. К концу O3 к наблюдениям должна присоединиться японская антенна KAGRA. Есть предварительные договоренности с правительством Индии о постройке аналога LIGO в этой стране. Еще более амбициозным является европейский проект Телескопа Эйнштейна. По планам это будет треугольный детектор, который позволит исследовать дополнительные параметры гравитационный волн, но гораздо сложнее в техническом плане.

С новыми установками появятся и новые технические проблемы. Например, значительными станут новые источники шумов, которые ранее были гораздо слабее других. Для борьбы с ними ученые создали установку, которая может воспроизводить эти квантовые шумы при комнатной температуре. Подробнее про регистрацию гравитационных волн можно прочитать в материалах «На гребне метрического тензора», «Точилка для квантового карандаша»и «Тоньше протона».