Изненађујуће откриће у оптици могло би да трансформише наш поглед на Универзум
Детектори гравитационих таласа ускоро би могли да добију значајно повећање перформанси, захваљујући новом напредовању инструментације које предводи физичар Џонатан Ричардсон са Универзитета Калифорније, Риверсајд. У раду објављеном у часопису ОптицаРичардсон и његове колеге описују ФРОСТИ, прототип пуног опсега који успешно контролише ласерске таласне фронтове при изузетно великој снази унутар Гравитационо-таласне опсерваторије ласерског интерферометра, или ЛИГО.
ЛИГО је опсерваторија која мери гравитационе таласе – сићушне таласе у простор-времену које стварају масивни убрзани објекти као што су сударајуће црне рупе. То је био први објекат који је директно открио ове таласе, пружајући снажну подршку Ајнштајновој теорији релативности. Користећи два ласерска интерферометра дуга 4 км смештена у Вашингтону и Луизијани, ЛИГО осећа невероватно мале сметње, дајући научницима нови начин да проучавају црне рупе, космологију и материју у екстремним условима.
ЛИГО се ослања на огледала која су међу најпажљивије пројектованим компонентама у савременој науци. Свако огледало је пречника 34 цм, дебљине 20 цм и тежине око 40 кг. Да би се открила изобличења у простор-времену која су мања од 1/1000 пречника протона, ова огледала морају бити готово савршено мирна. Чак и мале вибрације или бука из околине могу пригушити слабе сигнале гравитационих таласа које ЛИГО покушава да открије.
„У срцу наше иновације је нови адаптивни оптички уређај дизајниран да прецизно преобликује површине главних огледала ЛИГО-а под ласерским снагама које прелазе 1 мегават – више од милијарду пута јаче од типичног ласерског показивача и скоро пет пута већу снагу коју ЛИГО користи данас“, рекао је Ричардсон, доцент физике и астрономије. „Ова технологија отвара нови пут за будућност астрономије гравитационих таласа. То је кључни корак ка омогућавању следеће генерације детектора као што је Цосмиц Екплорер, који ће видети дубље у универзум него икада раније.“
ФРОСТИ: прецизна термичка контрола за ЛИГО ретровизоре
ФРОСТИ, скраћеница од ФРОнт Сурфаце Типе Иррадиатор, је прецизан систем контроле таласног фронта дизајниран да поништи изобличења настала када интензивна ласерска светлост загрева ЛИГО-ову оптику. Постојећи системи могу да врше само релативно грубе корекције, али ФРОСТИ користи напреднији метод термичке пројекције да примени фина подешавања вишег реда на површинама огледала. Овај ниво контроле је од суштинског значаја за захтевније перформансе будућих детектора.
Упркос свом леденом имену, ФРОСТИ делује тако што загрева површину огледала на веома контролисан начин који му враћа идеалан оптички облик. Коришћењем топлотног зрачења, систем пројектује пажљиво прилагођен топлотни образац на огледало. Ово изглађује оптичка изобличења уз избегавање додатног шума који се може заменити са стварним сигналима гравитационих таласа.
Зашто је боља оптика важна за астрономију гравитационих таласа
Гравитационе таласе је први пут открио ЛИГО 2015. године, што је означило почетак нове ере у астрономији. Међутим, да би у потпуности искористили овај нови начин посматрања универзума, будући детектори морају да виде удаљеније догађаје и да их мере са већом јасноћом.
„То значи померање граница и снаге ласера и прецизности на квантном нивоу“, рекао је Ричардсон. „Проблем је у томе што повећање снаге ласера има тенденцију да уништи деликатна квантна стања на која се ослањамо да бисмо побољшали јасноћу сигнала. Наша нова технологија решава ову напетост тако што осигурава да оптика остане неискривљена, чак и на нивоима снаге мегавата.“
Са овим приступом, очекује се да ће нова технологија проширити видљиви универзум гравитационих таласа за фактор 10. То повећање досега могло би омогућити астрономима да открију милионе спајања црних рупа и неутронских звезда кроз космичку историју, и да их проучавају са детаљима без преседана.
Поглед унапред: ЛИГО А# и Цосмиц Екплорер
Очекује се да ће ФРОСТИ бити кључна компонента ЛИГО А#, планиране надоградње која ће служити као тестна станица за опсерваторију следеће генерације познату као Цосмиц Екплорер. Тренутни прототип је демонстриран на ЛИГО огледалу од 40 кг, али исти принципи се могу повећати и прилагодити много већим огледалима од 440 кг предложеним за Цосмиц Екплорер.
„Садашњи прототип је само почетак“, рекао је Ричардсон. „Већ дизајнирамо нове верзије које могу да исправе још сложеније оптичке дисторзије. Ово је основа за истраживање и развој за наредних 20 година астрономије гравитационих таласа.“
Рицхардсон је спровео истраживање у сарадњи са научницима са УЦР, МИТ и Цалтецх.
Рад је подржан грантом Рицхардсону из Националне научне фондације.
