В будущем, по мере того, как обсерватории LIGO, финансируемые Национальным научным фондом, будут совершенствоваться — одна в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другая в Ливингстоне, штат Луизиана, — ожидается, что объекты будут обнаруживать все большее количество этих экстремальных космических объектов. События.
Эти наблюдения помогут разгадать фундаментальные загадки нашей Вселенной, например, как формируются черные дыры и как производятся ингредиенты нашей Вселенной.Одним из важных факторов повышения чувствительности обсерваторий является покрытие стеклянных зеркал, которые лежат в основе инструментов. Каждое 40-килограммовое (88-фунтовое) зеркало (по четыре в каждом детекторе в двух обсерваториях LIGO) покрыто отражающими материалами, которые, по сути, превращают стекло в зеркала.
Зеркала отражают лазерные лучи, чувствительные к проходящим гравитационным волнам.Как правило, чем больше отражающие зеркала, тем чувствительнее инструмент, но есть одна загвоздка: покрытия, которые делают зеркала отражающими, также могут вызывать фоновый шум в приборе — шум, который маскирует представляющие интерес сигналы гравитационных волн.
Теперь новое исследование, проведенное командой LIGO, описывает новый тип зеркального покрытия из оксида титана и оксида германия и показывает, как оно может уменьшить фоновый шум в зеркалах LIGO в два раза, тем самым увеличивая объем пространства, которое LIGO может исследовать. в восемь раз.«Мы хотели найти материал на грани возможного сегодня», — говорит Габриэле Вадженте, старший научный сотрудник LIGO в Калифорнийском технологическом институте и ведущий автор статьи о работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters. «Наша способность изучать астрономически большие масштабы Вселенной ограничена тем, что происходит в этом крошечном микроскопическом пространстве».
«С этими новыми покрытиями мы ожидаем, что сможем увеличить скорость обнаружения гравитационных волн с одного раза в неделю до одного раза в день и более», — говорит Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте.Исследование, которое может найти применение в будущем в области телекоммуникаций и полупроводников, было результатом сотрудничества Caltech; Государственный университет Колорадо; Монреальский университет; и Стэнфордский университет, чей синхротрон в Национальной ускорительной лаборатории SLAC был использован для определения характеристик покрытий.LIGO обнаруживает рябь в пространстве-времени с помощью детекторов, называемых интерферометрами. В этой установке мощный лазерный луч разделяется на два: каждый луч проходит по одному плечу большого L-образного вакуумного корпуса к зеркалам, находящимся на расстоянии 4 км.
Зеркала отражают лазерные лучи обратно к источнику, из которого они исходят. Когда гравитационные волны проходят мимо, они растягивают и сжимают пространство на почти незаметную, но все же обнаруживаемую величину (намного меньшую, чем ширина протона). Возмущения изменяют время прибытия двух лазерных лучей обратно к источнику.Любое покачивание самих зеркал — даже микроскопические тепловые колебания атомов в покрытии зеркал — могут повлиять на время прибытия лазерных лучей и затруднить выделение сигналов гравитационных волн.
«Каждый раз, когда свет проходит между двумя разными материалами, часть этого света отражается», — говорит Вайенте. «Это то же самое, что происходит в ваших окнах: вы можете видеть свое слабое отражение в стекле. Добавляя несколько слоев различных материалов, мы можем усилить каждое отражение и сделать наши зеркала отражающими до 99,999 процентов».«В этой работе важно то, что мы разработали новый способ более качественного тестирования материалов», — говорит Вайенте. «Теперь мы можем проверить свойства нового материала примерно за восемь часов, полностью автоматизированно, тогда как раньше это занимало почти неделю. Это позволило нам изучить периодическую таблицу, попробовав множество различных материалов и множество комбинаций.
Некоторые из них материалы, которые мы пробовали, не работали, но это дало нам представление о том, какие свойства могут быть важными ".В конце концов, ученые обнаружили, что материал покрытия, сделанный из комбинации оксида титана и оксида германия, рассеивает наименьшее количество энергии (эквивалент уменьшения тепловых колебаний).
«Мы адаптировали процесс производства для удовлетворения строгих требований к оптическому качеству и снижению теплового шума зеркальных покрытий», — говорит Кармен Менони, профессор Университета штата Колорадо и член LIGO Scientific Collaboration. Менони и ее коллеги из штата Колорадо использовали метод, называемый ионно-лучевым распылением, для покрытия зеркал. В этом процессе атомы титана и германия отделяются от источника, соединяются с кислородом, а затем осаждаются на стекле для создания тонких слоев атомов.
Новое покрытие может быть использовано для пятого цикла наблюдений LIGO, который начнется в середине десятилетия в рамках программы Advanced LIGO Plus. Между тем, четвертый запуск наблюдений LIGO, последний в кампании Advanced LIGO, как ожидается, начнется летом 2022 года.«Это кардинальное изменение для Advanced LIGO Plus», — говорит Рейтце. «И это отличный пример того, как LIGO в значительной степени полагается на передовые исследования и разработки в области оптики и материаловедения.
Это самый большой шаг вперед в разработке прецизионных оптических покрытий для LIGO за последние 20 лет».