Место расположения детектора LIGO
Приближаются к завершению работы по обновлению оборудования на лазерном детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). В этом году должны начаться испытания, а на полную мощность проект планируют вывести не позднее следующего года. Обновлённый детектор получит в 10 раз большую чувствительность, чем первая версия, и по заверениям учёных, обнаружение гравитационных волн с его помощью «практически гарантировано».
Гравитационные волны были предсказаны ещё Эйнштейном век назад, но сначала многие учёные отвергали их существование, а затем долгое время считалось, что их в принципе нельзя обнаружить. Но к 1950-м годам наука, изучая поведение нейронных звёзд и чёрных дыр, пришла к выводу, что такие волны должны существовать. Быстрое перемещение массивных объектов, например, система из вращающихся нейтронных звёзд, должна распространять такие волны. Эти волны должны немного искривлять пространство – и, замеряя это искривление, их теоретически можно обнаружить.
Детектор LIGO расположен в США, в штате Луизиана. Он представляет собой конструкцию из двух перпендикулярных туннелей, по которым распространяется излучение лазера. Луч лазера расщепляется делителем на два перпендикулярных луча, каждый из которых затем попадает в свой тоннель и многократно отражается от установленных там зеркал. Часть излучения возвращается обратно к делителю. Если длина обоих плеч остаётся постоянной, то возвращающиеся волны поступают обратно к лазеру. Но если их длина благодаря воздействию гравитационной волны вдруг станет отличаться, тогда волны интерферируют таким образом, что попадут в фотодетектор. И тогда – шампанское и нобелевка.
Схема работы LIGO
Впервые использовать оптический интерферометр (интерферометр Майкельсона) как детектор гравитационных волн предложили советские учёные М.Е.Герценштейн и В.И.Пустовойт в 1962 г. Затем американский профессор Рэйнер Вайс предложил увеличить эффективную длину плеч интерферометра за счёт многократных отражений оптического луча от зеркал, расположенных в каждом плече. То есть, пробежав плечо в 3 км туда и обратно сто раз, луч как бы совершит пробег 300 км. В результате, предложенный Вайсом детектор в состоянии измерять изменение длины одного из плеч на 10-18 м.
Профессор Вайс
Вооружившись этой идеей, в 1990 году Кип Торн и Роналд Древер из Калтеха и Рэйнер Вайс из МТИ убедили Национальный научный фонд в необходимости финансирования проекта. Строительство LIGO началось в 1994 году, а первые измерения стартовали в 2002.
Для обеспечения работы высокочувствительного прибора пришлось преодолеть множество трудностей. Чтобы исключить вибрации, которые наводит даже сам лазерный луч, зеркала пришлось сделать массивными (более 20 кг). Чтобы исключить низкочастотные вибрации – от сейсмической и приливно-отливной активности до влияния поездов на близлежащих железных дорогах, вся система подвешена на сложной конструкции, гасящей колебания.
Измерения длились 8 лет, но гравитационных волн зафиксировано не было, несмотря на то, что в период работы чувствительность комплекса была увеличена путём некоторых улучшений в два раза. Тогда комплекс был закрыт для масштабного обновления, которое планируют закончить в этом году.
Основным кандидатом на испускание гравитационных волн остаются двойные системы нейтронных звёзд. Первый LIGO мог засечь излучение звёзд, находящихся примерно в 50 миллионах световых лет от земли. Новая конструкция позволит увеличить чувствительность в 10 раз, по сравнению с предыдущей, и поэтому объём космоса, который ему доступен, увеличился в 1000 раз. По оценкам учёных, количество систем, существующих в таком объёме, должно обеспечить порядка 10 обнаружений волн в год.
Сравнение первой и второй версий
Есть и более амбициозный проект по обнаружению гравитационных волн – LISA (Laser Interferometer Space Antenna). По плану, этот интерферометр будут составлять три космических аппарата, выведенных в разные точки Солнечной системы. Они образуют треугольник со сторонами в миллионы километров, который станет самым чувствительным детектором из имеющихся у человечества. Но пока этот проект находится в стадии проектирования, и осуществиться он сможет не ранее 2034 года. Промежуточный проект, который продемонстрирует работоспособность системы, называется LISA Pathfinder – его запуск намечен уже на сентябрь 2015.
Автор: SLY_G
