Ещё ближе к разгадке гравитационных волн
13.10.2016
Группа исследователей из Московского государственного университета, Института ядерных исследований РАН и Института лазерной физики СО РАН работают над созданием оптико-акустического гравитационной антенны, которая будет регистрировать гравитационные волны от нейтронных звёзд.
В сентябре прошлого года произошло событие, которое физики и астрономы ждали пятьдесят лет (и в возможности которого многие сомневались) — человечеству впервые удалось «поймать» гравитационный сигнал. Он возник в результате слияния двойной чёрной дыры и был зарегистрирован интерферометрами LIGO — парой четырехкилометровых установок вблизи Сиэтла и Нового Орлеана (США). Таким образом, учёные получили первое прямое экспериментальное доказательство наличия гравитационного излучения и возможности его регистрации. Одновременно событие выступило подтверждением существования черных дыр как особой формы материи.
Вероятно, с этим открытием стартует новая наука — гравитационно-волновая астрономия, которая объяснит феномены, запрятанные в самых удаленных и недоступных областях Вселенной, принимаемой как «конгломерат времени и пространства». В частности, учёные получат возможность ответить на вопросы: является ли общая теория относительности адекватной теорией гравитации, как формируются массивные черные дыры в центрах галактик, что есть темная энергия, каковы начальные физические условия Большого взрыва? Однако для этого нужно ещё много чего сделать.
В научных программах, реализующихся на больших гравитационно-волновых интерферометрах, можно выделить четыре основных направления: поиск гравитационно-волновых сигналов от сливающихся двойных релятивистских (сверхплотных) звезд, от вспышек сверхновых звезд с образованием сверхплотного остатка, регистрация непрерывного излучения от пульсаров — вращающихся нейтронных звезд — и стохастического гравитационно-волнового фона, отделившегося от первородной плазмы (праматерии Вселенной) в процессе Большого взрыва. Из всех четырех гарантированно существует только первый класс источников гравитационных волн. Именно такого типа сигнал и был зарегистрирован антеннами LIGO. Однако слияние чёрных дыр — весьма редкое событие. Чтобы гравитационно-волновая информация поступала регулярно, требуется увеличить чувствительность детекторов, причём, в разных направлениях.
Коллаборация российских исследователей, в которую входит Московский государственный университет, Институт ядерных исследований РАН и Институт лазерной физики СО РАН разрабатывает оптико-акустическую гравитационную антенну «ОГРАН», нацеленную на регистрацию гравитационных волн от такого источника, как нейтрино.
«Наша система выступает альтернативой интерферометрам LIGO. Она функционирует в существенно другом диапазоне, и в этом смысле мы расширяем наши возможности видеть и слушать Вселенную», — говорит директор ИЛФ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Владимирович Тайченачев.
«Астрофизически звёзды очень тяжёлые. Ждать от них высоких частот не приходится, чем более низкие частоты способен принимать интерферометр, тем лучше. Развитие детекторов LIGO движется в этом направлении. Тот диапазон, в котором зарегистрировали гравитационный сигнал — порядка 100 Герц. Детекторы же нашей коллаборации работают в диапазоне три килогерца. Они нацелены на более лёгкие звёзды, такие как нейтронные», — рассказывает профессор физического факультета МГУ, заведующий отделом гравитационных измерений Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга доктор физико-математических наук Валентин Николаевич Руденко.
На сегодняшний день разработка российских учёных находится на следующем этапе: детектор создан, установлен в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (Приэльбрусье, Кабардино-Балкария) глубоко под землёй — на километр под поверхностью, что защищает его от космических лучей и понижает сейсмические и прочие возмущения. На проектном уровне система имеет чувствительность к гравитационным волнам, однако её надо запустить в режиме непрерывной службы, что требует дополнительного финансирования. К тому же необходимо увеличить чувствительность детектора, которая пока умеренная по сравнению с американскими системами.
«Сейчас обсуждается вопрос, что к коллаборации примкнёт Международный университет природы, общества и человека «Дубна», — сообщает Валентин Руденко. — Пути увеличение чувствительности, по меньшей мере, на порядок или на полтора у нас есть, они известны, мы в этом направлении работаем, но это требует решения некоторых непростых задач».
ИЛФ СО РАН в этом проекте занимается созданием аппаратуры для оптической регистрации колебаний гравитационной антенны. Работы ведутся научно-исследовательской группой лазерной спектроскопии под руководством доктора физико-математических наук Михаила Николаевича Скворцова.
«Гравитации подвержено всё, это сама обобщающая сила взаимодействия и таинственное поле, которое отличается от всего и воздействует на всё: и на пробные тела, и на среды (упругие, акустические и так далее), — объясняет Валентин Руденко. — Поэтому в нашей системе помимо детектора, регистрирующего акустические волны, есть и соединённый с ним оптический резонатор. Он представляет собой два зеркала, между которыми бегает лучик и создаёт огромное число отражений. Оригинальность нашего метода в том, что гравитационная волна взаимодействует также и с этой оптической составляющей, то есть, непосредственно с заключенным там светом. Благодаря этому реакция на отклик становится более сложной, чем у антенны на свободных массах. В последней нельзя различить, сдвинулись пробные тела, между которыми бегает лучик, или же изменилась длина волны под воздействием гравитационного поля. А у нас это становится возможным».
К тому же такая антенна позволит получит информацию о том, с какого направления пришла волна. Но самое главное: оптические методы регистрации оказываются наиболее продвинутыми и многообещающими, из-за того что сам свет практически не возмущает предмет при больших интенсивностях, которые могут понадобиться.
«Использовать оптические методы непросто — когда начинаешь это делать, оказывается, что есть много неучтённых посторонних паразитных эффектов, дополнительных взаимодействий, которые мешают получить красивую чистую картину. Поэтому группа Михаила Николаевича Скворцова для нас в этом проекте незаменима», — говорит Валентин Руденко.
Сейчас исследователи занимаются настройкой системы на работу при низких температурах. Проект носит название «Крио-ОГРАН». «Это очень нетривиальная задача. Оптический резонатор представляет собой зеркала, их необходимо охладить до азотной, температуры. Но в это же время в них должен бить луч в один ватт (который будет нагревать систему). Как сохранить оба условия одновременно? Здесь встаёт вопрос к покрытию таких зеркал, к материалу подложки. То есть это нерешенная проблема, над которой мы работаем, но в ней же заключается и оригинальность системы», — говорит Валентин Руденко.
Диана Хомякова, пресс-служба ИЯИФ СО РАН