Модифікація LIGO тисячекратно полегшила пошук гравітаційних хвиль

Радикальна технічна модернізація Лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) в даний час завершена, повідомляє PhysicsWorld. Чутливість обсерваторії зросла в 10 разів, що повинно підвищити ймовірність виявлення гравітаційних хвиль в тисячу разів. Перші дані від детектора надійдуть у вересні 2015 року, коли оновлена обсерваторія вийде на одну третину від своєї повної потужності.

Гравітаційні хвилі - «ряб» простору часу, що викликається рухом гравітуючих тіл зі змінним прискоренням. При проходженні через будь-яку область простору така хвиля подовжує його в одному напрямку, в той же час зменшуючи його розмір в напрямку, перпендикулярному першому. Зважаючи на відносну слабкість гравітації в порівнянні з іншими фундаментальними взаємодіями, ці хвилі мають досить малу величину, що насилу піддається реєстрації.

Остання модернізації комплексу, після якого його будуть називати Advanced LIGO, обійшлася в 200 мільйонів доларів і дозволила значно підвищити захищеність його апаратури від зовнішніх коливань. Для цього дзеркала і лазери інтерферометрів розмістили на системі актуаторів, що компенсують зовнішні коливання від мікротолчків і навіть дорожнього трафіку. Через це чутливість кожного з інтерферометрів, які мають чотирикілометрові «плечі», піднялася вдесятеро.

Детектор гравітаційних хвиль LIGO складається з двох великих комплексів, один з яких знаходиться в штаті Луїзіана, а інший - в штаті Вашингтон. Кожен з двох інтерферометрів складається з двох Г-подібних тунелів, зістикованих під прямим кутом. У кожному з рукавів тунелю система дзеркал утворює резонатор Фабрі - Перо. Перед розгалуженням тунелів промінь лазера розщеплюється ділником на два перпендикулярних один одному компоненти, кожен з яких потім багаторазово відбивається від встановлених в тунелях дзеркал. Якщо в якийсь момент часу сильні гравітаційні хвилі через інтерферометр не проходять, то два перевідданих промені одночасно повертаються назад до лазера. Але якщо на них вплине досить потужна гравітаційна хвиля, то промені накладуться один на одного і в цьому випадку позначаться не назад до джерела, а потраплять у фотодетектор, який і зареєструє факт проходження хвилі. Ймовірність такого результату залежить від довжини пробігу лазерних пучків у «плечах» інтерферометра і від його захищеності від зовнішніх коливань, які могли б вплинути на стабільність «маршрутів», якими проходять пучки.

Відстань між двома частинами Advanced LIGO становить близько трьох тисяч кілометрів. Оскільки вважається, що швидкість поширення гравітаційних хвиль дорівнює світловій, цього просторового різносу має вистачити, щоб оптичні інтерферометри в двох частинах комплексу зафіксували різницю в часі реєстрації вхідної гравітаційної хвилі. У цьому випадку та частина обсерваторії, що зареєструє хвилю першою, вкаже на напрямок, звідки прийшла така хвиля.

Вважається, що потенційним джерелом гравітаційних хвиль можуть бути системи зливних нейтронних зірок або чорних дір. За розрахунками творців, до модернізації LIGO могла реєструвати зближення і злиття пари нейтронних зірок навколосолнечної маси на відстані до 26 млн світлових років. Ймовірність цієї події в цьому обсязі найближчого космосу становить не більше 0,01 на рік. Після модернізації та десятикратного збільшення чутливості, обсерваторія зможе вловити такі події в тисячоразово більшому обсязі простору. Передбачається, що тепер детектор зможе «побачити» до десятка подібних подій на рік.

Утворення гравітаційних хвиль було передбачене в рамках Загальної теорії відносності ще на початку XX століття. Однак досі прямих доказів їх існування отримано не було. Творці Advanced LIGO сподіваються, що експеримент, нарешті, дозволить вирішити завдання, поставлене перед експериментальною фізикою в 1960-х.