Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Проходящая гравитационная волна также нарушит первоначальную интерференционную структуру в силу возникающих отклонений времени прихода света. Фотодетектор начнет регистрировать свет. Сработает механизм обратной связи, изменив текущий через катушку электрический ток и силу магнитного поля. В результате зеркала сдвинутся так, чтобы восстановить идеальную ослабляющую интерференцию в темном порте.

Если вы будете постоянно считывать изменения электрического тока, проходящего через катушку, то получите отчетливую картину крохотных вынужденных движений зеркала. Большинство этих восстанавливающих запирание плеча движений обусловливаются внешними вибрациями («шумом»), но некоторые могут быть вызваны искомыми волнами Эйнштейна.

Временно задерживая свет лазера в интерферометре при помощи двух зеркал, получаем дополнительное преимущество – накопление энергии в двух плечах. Благодаря этому свет в резонаторе Фабри – Перо представляет собой намного более мощный и равномерный поток фотонов, чем свет, минующий резонатор. Это важно, если требуется измерить чрезвычайно малые изменения выходного сигнала, как в нашем случае.

Чтобы понять, почему чем больше фотонов, тем точнее измерения, представьте, что хотите с точностью определить, насколько сильный ливень идет в Луизиане во время летней грозы. Вы находитесь в хижине с железной крышей, и все, что у вас есть, – это старомодный измеритель интенсивности шума, в котором игла двигается по дуге. Вы решаете использовать звук капель, барабанящих по крыше, в качестве показателя силы дождя. При слабом дожде вы услышите «кап… кап-кап… кап». Будет очень трудно определить, насколько шумным является дождь, и игла шумомера бешено мечется туда-сюда. Этот эффект называется дробовым шумом. Но вот гроза усиливается, дождь становится проливным. Игла движется по шкале и останавливается на определенном значении, которое может быть считано с высокой точностью. Вот почему нам нужно много света – большое количество фотонных «дождевых капель», чтобы знать, насколько именно меняется уровень освещенности при смещении зеркал.

Итак, мы создали практически идеальный интерферометр. Он имеет виртуальные плечи почти в 1200 км длиной, позволяющие регистрировать чрезвычайно малые изменения времени перемещения света. В случае этих изменений темный порт перестает быть совершенно темным. Какое-то количество света попадает на фотодетектор. Накачивая мощность лазера в двух плечах интерферометра, мы в значительной мере устранили дробовой шум. Теперь даже ничтожные изменения количества света из-за прохождения волны Эйнштейна выделяются на фоне остаточного шума.

_________

Разумеется, поиск гравитационных волн осложняют многие другие проблемы.

Среди них с большим отрывом лидируют: захлопнувшаяся дверь или проехавший грузовик, шаги людей поблизости, промышленная деятельность в соседнем городе, крохотные изменения температуры, отдаленная гроза, влияющая на молекулы воздуха, лесозаготовки вблизи обсерватории (в случае LIGO в Ливингстоне), удары тихоокеанских волн о берег на юге штата Вашингтон (в случае LIGO в Хэнфорде), микросейсмическая активность – список можно продолжить. Зеркала требуют максимально возможной изоляции от этого «сейсмического шума», который не позволит выделить крайне слабый эффект проходящей гравитационной волны.

Огромные усилия были затрачены на разработку хитроумных систем подвеса зеркал. Чтобы изолировать зеркала от внешних колебаний, были применены практически все известные приемы. Вибрационные датчики подают входной сигнал на самонастраивающиеся системы демпфирования, противодействующие колебаниям почвы, – примерно так же устроены микрофоны с шумоподавлением. Дальнейшую изоляцию обеспечивают сложные системы свободно свисающих плоских пружин и амортизаторов. Самым эффективным средством защиты является маятниковый механизм.

Демпфирующую способность маятника продемонстрирует очень простой эксперимент. Возьмите тонкую веревку или леску около метра длиной. Привяжите к ручке тяжелой кофейной чашки. Поднимите веревку за свободный конец, чтобы чашка повисла неподвижно. Если медленно повести конец веревки влево или вправо, чашка неохотно последует за движением, если же перемещать конец веревки быстро, чашка вообще едва шелохнется. Система работает еще лучше, если другой веревкой привязать под первой чашкой вторую: быстрые перемещения верхнего конца подвеса не оказывают видимого влияния на нижнюю чашку. Аналогично подвешенное зеркало удается изолировать от высокочастотных вибраций в окружающем пространстве. В LIGO применяется четырехэтапная система подвеса. Достоинство первое: зеркала являются толстыми и тяжелыми – 34 см в диаметре, толщиной 20 см и весом около 40 кг. Достоинство второе: они висят на проволоке минимально возможной толщины (0,4 мм) из плавленого кварца – особого стекла, отличающегося огромной прочностью. Достоинство третье: зеркала имеют чрезвычайно высокий уровень чистоты и простоты – зеркала LIGO представляют собой тщательно отполированные цилиндры из аморфного кварца.

Очевидно, избавиться от всех вибраций невозможно. Всегда будет какой-то неподавленный сейсмический шум, сколь угодно малые остаточные движения зеркал. Для полной уверенности в том, что чрезвычайно слабый сигнал гравитационной волны будет опознан, нужны как минимум два одинаковых детектора, разнесенные на сотни или даже тысячи километров. Фоновый шум в двух обсерваториях будет разным, а любой сигнал пришедшей из космоса гравитационной волны – одинаковым. Возможны мелкие различия в деталях в зависимости от направления источника сигнала и относительной ориентации двух интерферометров. Но обе лаборатории, в Ливингстоне и в Хэнфорде, должны зарегистрировать одну и ту же гравитационную волну в интервале сотой доли секунды. (В действительности с 2002 по 2010 г. проходящая гравитационная волна должна была регистрироваться тремя инструментами. Не многие знают, что в Хэнфорде изначально было два отдельных, совершенно независимых интерферометра: один имел плечи в 4 км, другой в два раза короче, те и другие размещались в общих туннелях.)

Незачем говорить, что лазер, светоделитель и фотодетектор также должны быть максимально изолированы от внешних вибраций. Более того, все чувствительные части интерферометра заключены в гигантские вакуумные резервуары. Даже из 4-километровых плеч – стальных труб, внутри которых переотражаются пучки лазерного излучения, – откачан весь воздух. Недопустимо, чтобы зеркала дрожали вследствие бомбардировки молекулами воздуха. Нельзя также допустить рассеяния лазерного излучения молекулами воздуха и крохотными частицами пыли. Система глубокого вакуума LIGO объемом около 9000 куб. м является одной из крупнейших в мире.

Еще одна потенциальная проблема – это лучевое давление, оказываемое пучками света лазеров на зеркала. Есть также «тепловой шум» – крайне слабые движения молекул в отражающем покрытии зеркал при нормальной температуре окружающей среды. Разумеется, слабо изогнутая поверхность зеркал должна быть отполирована максимально чисто, поскольку малейшие неровности уничтожат когерентность лазерного излучения.

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.