Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Список потенциальных источников шума далеко не полон, я лишь пробежался по верхам. Все эти эффекты грозят помешать регистрации гравитационных волн, но все и каждую из проблем ученые и инженеры смогли решить или обойти.

Дополнительные подсистемы интерферометра еще больше увеличивают чувствительность. Например, лазерный «чистильщик» (официальное название – фильтр входного сигнала) гарантирует максимально возможную чистоту и стабильность света лазера. Волны, входящие в туннели, должны иметь в точности одинаковую длину и быть идеально когерентными.

Еще один обязательный элемент – зеркало рециркуляции мощности. Полагаю, вы помните, что происходит, когда пучки лазерного излучения, возвращающиеся из двух плеч L-образной конструкции, снова встречаются на светоделителе: они нейтрализуют друг друга в одном направлении (к темному порту) и взаимно усиливаются в другом (в направлении лазера). Таким образом, во время эксплуатации в штатном режиме довольно много лазерного излучения возвращается туда, где возникло. Не использовать эту мощность лазерной установки означало бы транжирить ресурсы. Зеркало рециркуляции мощности отправляет свет обратно в интерферометр. В результате еще больше фотонов носятся взад-вперед по туннелям, а чем выше мощность лазерного излучения, тем выше точность измерений.

Намного меньшее количество света, который время от времени попадает в темный порт инструмента, также идет в дело, отражаясь обратно в плечи интерферометра. Этот достаточно новый процесс называется рециркуляцией сигнала. Ученые даже экспериментируют с так называемым сжатым светом – хитростью из области квантовой оптики, в которой принцип неопределенности Гейзенберга оборачивается нам на пользу. Не волнуйтесь, если вы не вполне его понимаете, этим могут похвастать немногие физики. Важен результат – еще большая точность.

Большая наука, например физика гравитационных волн, дело непростое. Резонансные антенны Джо Вебера были весьма продвинутыми – один из собственных детекторов Вебера ныне выставлен перед входом в обсерваторию LIGO в Хэнфорде, – но создание действующего интерферометра для регистрации волн Эйнштейна представляет собой задачу совершенно другого уровня. Все здесь является выходом на пределы возможностей науки и технологии. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (Nd: YAG), фильтры входного сигнала, светоделители, система сверхглубокого вакуума, сверхгладкие кремниевые зеркала, антивибрационные системы шумоподавления, рециркуляция мощности и сигнала, чувствительные фотодетекторы, невероятно точные измерения – все должно функционировать идеально согласованно и безошибочно.

Так и происходит, о чем свидетельствует регистрация GW150914. Почти через столетие после того, как Альберт Эйнштейн выдвинул предположение о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума, физики наконец смогли зарегистрировать их напрямую. Самое время поговорить о настойчивости.

Весной 1998 г. начальник строительства LIGO в Ливингстоне Джерри Стэпфер в разговоре со мной выразил уверенность, что гравитационные волны будут зарегистрированы вскоре после ввода интерферометра в эксплуатацию в 2002 г. «Нужно во что-то верить», – сказал он. Однако и к 2010 г. долгие месяцы наблюдений ничего не дали. По общему мнению, первая версия LIGO была недостаточно чувствительна, чтобы сделать хотя бы одну убедительную регистрацию за 8 лет.

Почти через 17 лет после моего первого посещения, в январе 2015 г., Фредерик Рааб, тогда руководитель LIGO в Хэнфорде, был столь же оптимистичен. «Все очень удивятся, если ничего не найдется», – заявил он [42] Я был в обсерватории LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и взял интервью у Фредерика Рааба 14 января 2015 г. . К тому времени в уже имевшихся зданиях и туннелях был собран совершенно новый комплекс из лазеров, зеркал, систем подвеса и детекторов. Ученые, инженеры и техники занимались пусконаладочными работами; только что впервые удалось добиться запирания в одном из плеч интерферометра. Детектор во втором, усовершенствованном воплощении Advanced LIGO (aLIGO) после полной отладки должен был стать в 10 раз чувствительнее первоначального Initial LIGO (iLIGO) и смог бы принимать сигналы от источника в 10 раз более дальнего, наблюдая за пространством, в 1000 раз более обширным. Оптимизм Рааба оказался оправданным.