Оптичната система FROSTI прави революция в управлението на огледалата в детекторите на гравитационни вълни, отваряйки вратата към много по-задълбочен поглед върху космоса. С този подход се очаква новата технология да разшири наблюдаемата вселена на гравитационните вълни 10 пъти.
FROSTI е нова адаптивна оптична система, която прецизно коригира изкривяванията в огледалата на Лазерната интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория LIGO. Използвайки персонализирани термични модели, FROSTI запазва формата на огледалото, без да внася шум, в следствие на което детекторите работят с по-висока чувствителност. Този скок позволява на бъдещи обсерватории като Cosmic Explorer да виждат по-дълбоко в космоса. Технологията полага основите за значително разширяване на гравитационно-вълновата астрономия.
Скок в прецизността на технологиите за откриване на гравитационни вълни
Детекторите на гравитационни вълни може скоро да получат значително подобрение в производителността си, благодарение на нов напредък в инструментариума, осъществен от изследователи от Калифорнийския университет в Ривърсайд.
В статия, публикувана в списание Optica, те описват FROSTI, прототип в пълен мащаб, който успешно контролира лазерни вълнови фронтове с изключително висока мощност в Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория или LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
LIGO е обсерватория, която измерва гравитационните вълни – малки вълнички в пространство-времето, създадени от масивни ускоряващи се обекти, като например сблъскващи се черни дупки. Това е първото съоръжение, което директно открива тези вълни, което подкрепя теорията на относителността на Айнщайн. Използвайки два лазерни интерферометъра с дължина 4 км, разположени във Вашингтон и Луизиана, LIGO отчита невероятно малки смущения, което дава на учените нов начин за изучаване на черни дупки, космология и материя при екстремни условия.
LIGO разчита на огледала, които са сред най-внимателно проектираните компоненти в съвременната наука. Всяко огледало е с диаметър 34 см, дебелина 20 см и тегло около 40 кг. За да се открият изкривявания в пространство-времето, които са по-малки от 1/1000 от диаметъра на протон, тези огледала трябва да са почти идеално неподвижни. Дори малки вибрации или шум от околната среда могат да заглушат слабите гравитационни вълнови сигнали, които LIGO се опитва да засече.
"В основата на нашата иновация е ново адаптивно оптично устройство, предназначено да прецизно преоформя повърхностите на основните огледала на LIGO под въздействието на лазерни мощности, надвишаващи 1 мегават – повече от милиард пъти по-силни от обикновената лазерна показалка и почти пет пъти по-големи от мощността, която LIGO използва днес", обяснява Джонатан Ричардсън (Jonathan Richardson), доцент по физика и астрономия в Калифорнийския университет в Ривърсайд. "Тази технология отваря нов път за бъдещето на гравитационно-вълновата астрономия. Това е ключова стъпка към създаването на детектори от следващо поколение като Cosmic Explorer, които ще виждат по-дълбоко във Вселената от всякога."
FROSTI: прецизен термичен контрол за LIGO огледала
FROSTI, съкращение от FROnt Surface Type Irradiator (облъчвател на предната повърхност), е прецизна система за управление на вълновия фронт, предназначена да елиминира изкривяванията, получени при нагряване на оптиката на LIGO от интензивна лазерна светлина. Съществуващите системи могат да правят само сравнително груби корекции, но FROSTI използва по-усъвършенстван метод за термично проектиране, благодарение на което прилага фини, по-високи настройки върху огледалните повърхности. Това ниво на контрол е от съществено значение за по-високите изисквания за производителност на бъдещите детектори.
Въпреки леденото си име, FROSTI работи чрез затопляне на повърхността на огледалото по много контролиран начин, което го връща в идеалната му оптична форма. Използвайки топлинно излъчване, системата проектира внимателно подбрана топлинна конфигурация върху огледалото. Тя изглажда оптичните изкривявания, като същевременно избягва допълнителния шум, който би могъл да бъде сбъркан с истински гравитационни вълнови сигнали.
Защо по-добрата оптика е важна за гравитационно-вълновата астрономия
Гравитационните вълни са открити за първи път от LIGO през 2015 г., отбелязвайки началото на нова ера в астрономията. За да се използва напълно този нов начин за наблюдение на Вселената обаче, бъдещите детектори трябва да виждат по-далечни събития и да ги измерват с по-голяма яснота.
"Това означава разширяване на границите както на лазерната мощност, така и на прецизността на квантово ниво", отбелязеа Ричардсън. "Проблемът е, че увеличаването на лазерната мощност има тенденция да разрушава деликатните квантови състояния, на които разчитаме, за да подобрим яснотата на сигнала. Нашата нова технология унищожава това напрежение, гарантирайки, че оптиката остава неизкривена, дори при мегаватови нива на мощност."
С този подход се очаква новата технология да разшири наблюдаемата вселена на гравитационните вълни 10 пъти. Това увеличение на обхвата би могло да позволи на астрономите да открият милиони сливания на черни дупки и неутронни звезди в космическата история и да ги изучават с безпрецедентни подробности.
Поглед напред: LIGO A# и Cosmic Explorer
Очаква се FROSTI да бъде ключов компонент на LIGO A#, планирано подобрение, което ще служи като тестова платформа за обсерваторията от следващо поколение, наречена като Cosmic Explorer. Настоящият прототип е демонстриран върху огледало LIGO с тегло 40 кг, но същите принципи могат да бъдат увеличени и адаптирани към много по-големите огледала с тегло 440 кг, предложени за Cosmic Explorer.
"Настоящият прототип е само началото", посочва Ричардсън. "Вече проектираме нови версии, способни да коригират още по-сложни оптични изкривявания. Това е основата за научноизследователска и развойна дейност за следващите 20 години гравитационно-вълнова астрономия."
В изследването участват учени от UCR, MIT и Caltech.
Справка: Tyler Rosauer, Huy Tuong Cao, Mohak Bhattacharya, Peter Carney, Luke Johnson, Shane Levin, Cynthia Liang, Xuesi Ma, Luis Martin Gutierrez, Michael Padilla, Liu Tao, Aiden Wilkin, Aidan Brooks, Jonathan W. Richardson. Demonstration of a next-generation wavefront actuator for gravitational-wave detection. Optica, 2025; 12 (10): 1569 DOI: 10.1364/OPTICA.567608
Източник: Surprising optics breakthrough could transform our view of the Universe, University of California - Riverside, ScienceDaily
Още по темата
Космос
Невъзможният сблъсък на масивни черни дупки в GW231123 е обяснен (видео)
Физика
Огромно сляпо петно в изследванията на гравитационните вълни вече е запълнено
Космос
GW190521 - Eхо от червеева дупка от друга вселена? Вълнуващо, но предпочитаме простите обяснения
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
"Ад" на Данте описва удар на астероид 500 години преди съвременната наука
10-годишно момиче открива рядък мексикански аксолотъл. Какво знаем за тези животни
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване