Новий сеанс пошуку гравітаційних хвиль розпочнеться у квітні

Черговий період спостережень на гравітаційно-хвильових обсерваторіях LIGO і Virgo почнеться першого квітня і триватиме рік. Очікувана точність протягом нового сеансу повинна істотно зрости порівняно з попереднім, що дозволить на переділі можливостей фіксувати злиття астрономічних об'єктів у значно більшому обсязі Всесвіту. Відповідний прес-реліз опублікований на сайті Virgo.

LIGO і Virgo - це установки, призначені для пошуку гравітаційних хвиль від чорних дір, що зливаються, і нейтронних зірок. Вони являють собою оптичні L-подібні оптичні інтерферометри, по плечах яких постійно рухаються лазерні промені, що відбиваються від дзеркал в кінцях тунелів. Після багаторазових відбитків промені зводяться в центрі і інтерферують. Проходження гравітаційної хвилі трохи змінює відстані між дзеркалами, через що між лазерами з різних прапорів накопичується різність фаз, яка обчислюється за зміною інтерференційної картини.

Існування гравітаційних хвиль передбачається загальною теорією відносності (ОТГ). Згідно з нею при прискореному русі мас у багатьох випадках будуть генеруватися спотворення простору-часу, які будуть хвилеподібно віддалятися від джерела зі швидкістю світла. Першим непрямим підтвердженням гравітаційних хвиль було спостереження подвійного пульсара, тобто подвійної системи з спостережуваної як пульсар нейтронної зірки і компактного компаньйона, що обертаються навколо загального центру мас на відносно невеликій відстані. Детальні дослідження дозволили виявити поступове зменшення орбітального періоду пульсара, яке з високою точністю узгоджується з передбачуваною ОТГ втратою енергії на випромінювання гравітаційних хвиль.

На початку 2016 року було оголошено про першу пряму реєстрацію гравітаційної хвилі обсерваторією LIGO, що відбулася в 2015 році. На даний момент зафіксовано 11 таких подій, з яких 10 є злиттями чорних дір, а одне - злиттям нейтронних зірок, яке також вдалося спостерігати звичайними телескопами, що детектують електромагнітне випромінювання. За ці відкриття у 2017 році була вручена Нобелівська премія з фізики.

У новому повідомленні говориться, що після доопрацювань, що полягали в заміні лазерів, дзеркал і деяких інших компонентів, обсерваторії готові приступити до нового етапу спостережень, третього за рахунком, завдяки чому він отримав назву O3. Комбінована чутливість пари антен LIGO повинна зрости приблизно на 40 відсотків порівняно з попереднім сеансом спостережень O2, а у Virgo - в два рази. Крім поліпшень окремих установок, O3 стане першим періодом спостережень, в якому LIGO і Virgo будуть повноцінно працювати разом протягом тривалого часу. Вчені оцінюють, що тепер злиття нейтронних зірок вдасться зареєструвати на відстанях до 170 мегапарсек проти 110 протягом минулого сеансу.

Ключовою інженерною зміною стала заміна лазерів і дзеркал. Тепер джерела випромінювання видають імпульси в два рази більшої потужності, замість сталевих тросів дзеркала Virgo підтримуються нитками з кварцового скла, а п'ять з восьми дзеркал LIGO замінені. Також вчені почнуть використовувати нові методи боротьби з квантовими шумами, пов'язаними з випадковими флуктуаціями кількості фотонів у лазерних імпульсах. Фізики вирішили скористатися напрацюваннями колег, що займаються невеликим гравітаційним телескопом GEO600, - там вже кілька років тому почали застосовувати технологію стисненого світла, яка дозволяє зменшувати пов'язану з фундаментальним принципом невизначеності Гейзенберга неточність визначення фази випромінювання за рахунок збільшення помилки амплітуди. Оскільки в роботі гравітаційних антен в першу чергу важлива саме фаза, що визначає інтерференцію променів, то така модифікація також здатна підвищити точність всієї установки.

Вчені очікують отримання великої кількості нової інформації протягом чергового спостережного періоду. Зокрема, реєстрація злиттів чорних дір повинна стати звичайною справою: за оптимістичними оцінками такі події будуть фіксуватися з частотою близько одного разу на тиждень. Однак найбільш цінні результати очікуються від злиття несиметричних нейтронних зірок - такі події важко зафіксувати, але можливість одночасного спостереження як гравітаційного, так і електромагнітного сигналу потенційно дозволяє найбільш детально дослідити фізику екстремально сильних гравітаційних полів. Нова система оповіщення про гравітаційні хвилі повинна розсилати доступні іншим вченим повідомлення протягом п'яти хвилин, що дозволить оперативно навести інші прилади на передбачуване джерело сигналу.

Вчені вже давно планують поліпшення установок після нового спостережного сеансу. Зокрема, існує програма поліпшення LIGO A +, а також проект LIGO Voyager, який перетворить установку на детектор третього покоління. До кінця O3 до спостережень повинна приєднатися японська антена KAGRA. Є попередні домовленості з урядом Індії про будівництво аналога LIGO в цій країні. Ще більш амбітним є європейський проект Телескопа Ейнштейна. За планами це буде трикутний детектор, який дозволить досліджувати додаткові параметри гравітаційний хвиль, але набагато складніше в технічному плані.

З новими установками з'являться і нові технічні проблеми. Наприклад, значними стануть нові джерела шумів, які раніше були набагато слабшими за інших. Для боротьби з ними вчені створили установку, яка може відтворювати ці квантові шуми при кімнатній температурі. Детальніше про реєстрацію гравітаційних хвиль можна прочитати в матеріалах «На гребені метричного тензора», «Точилка для квантового олівця» і «Тонше протона».