Журнал Наука и жизнь, 2000 № 05

Сигналы от двойных или нейтронных звезд могут приходить в частотном диапазоне, простирающемся от очень низких частот до примерно 1 кГц. Созданная аппаратура может воспринимать частоты от 40 Гц до нескольких килогерц с максимумом чувствительности на частоте 100 Гц. Исследователи ожидают, что их уникальная установка, открывающая новое поколение гравитационных телескопов, позволит получить фундаментальные результаты, приближающие нас к разгадке многих тайн Вселенной.

В основу гравитационного детектора положена схема интерферометра Майкельсона (см. рисунок на стр. 7). Пучок света от источника направляется на полупрозрачную пластинку — светоделитель СД, расщепляющий пучок на два луча 1 и 2 , которые приходят к зеркалам М 1и М 2. После отражения они вновь возвращаются к светоделителю, который повторно делит каждый из них на две части. Отраженная часть пучка 1 возвращается к источнику, а прошедшая — поступает на фотоприемник; прошедшая часть пучка 2 , наоборот, возвращается к источнику, а отраженная — поступает на приемник. Таким образом, на приемнике совмещаются (как говорят, рекомбинируют) два пучка, прошедшие различные расстояния (до зеркал М 1и М 2и обратно). В плоскости фотоприемника возникает интерференционная картина, вид которой зависит от степени параллельности совмещенных пучков. Если пучки строго параллельны, картина имеет вид одного светлого или темного пятна (в зависимости от разности хода пучков). При небольшом угле между пучками (более реальный случай) картина представляет собой систему светлых и темных полос: в тех местах, для которых разность хода оказывается равной четному числу полуволн света (фазы колебаний в пучках совпадают), волны усиливают одна другую, и образуется светлая полоса, а там, где разность хода равна нечетному числу полуволн (фазы отличаются на 180°), пучки «гасят» друг друга, и образуется темная полоса. Если одно из зеркал перемещать вдоль луча света, разность хода начнет изменяться, а вся система интерференционных полос — двигаться в плоскости приемника. Ограничив «поле зрения» приемника диафрагмой шириной немного менее одной полосы, получим, что при перемещении зеркала на приемник поступит то светлая, то темная полоса, т. е. станет периодически меняться интенсивность света от максимума до минимума, а на выходе фотоприемника появится синусоидальный электрический сигнал. Максимумы или минимумы сигнала будут повторяться при изменении разности хода на длину волны света λ , т. е. при перемещении зеркала на λ /2.

В гравитационном детекторе используется интерферометр Майкельсона с четырьмя пробными массами, подвешенными вблизи начала и в конце каждого из двух плеч интерферометра. Расстояния L 1и L 2между пробными массами в обоих плечах почти одинаковы ( L 1~= L 2= L ). Пробные массы могут свободно двигаться в горизонтальной плоскости. Гравитационная волна, падающая перпендикулярно плоскости интерферометра, смещает массы, растягивая одно плечо, сжимая другое и изменяя, таким образом, разность длин плеч (разность хода пучков) Δ L = L 1— L 2. В общем случае будет наблюдаться изменение относительной разности длин плеч: L (t)/ L = h (t). Величину h (t) можно назвать гравитационно-волновым смещением. Относительное движение пробных масс, вызываемое волной, пропорционально расстоянию между ними, и это весьма важное обстоятельство использовано в интерферометре — длина его плеч составляет 4 км. Лазерный интерферометр отслеживает изменение длин плеч L и, таким образом, измеряет гравитационно-волновое смещение h (t).

В оптической схеме интерферометра использован стабилизированный до 10 -7по частоте и интенсивности излучения лазер на иттрий-алюминиевом гранате, генерирующий на длине волны 1,06 мкм (этот свет лежит в ближней инфракрасной области спектра и невидим глазом). Выходная мощность излучения лазера — 6 Вт. Важный элемент интерферометра — расположенное после лазера зеркало, пропускающее только 3 % падающего на него света. Входные зеркала отражают 97 % света, и, следовательно, это зеркало образует с каждым из входных зеркал так называемые рециркуляторы длиной 20 м, в которых свет постоянно циркулирует, при каждом проходе отдавая в плечи интерферометра лишь 3 % энергии. Вследствие этого в рециркуляторах будет накапливаться световая энергия, и мощность находящегося в них излучения увеличится до 100 Вт. С излучением, прошедшим интерферометр, такая же картина: свет циркулирует между входным и концевым зеркалами. Концевое зеркало отражает практически 100 %, а входное — 97 %, поэтому после каждого двойного прохода длины резонатора только 3 % будет выводиться из него к светоделителю, и при длине плеч 4 км в них накопится мощность излучения уже 4 кВт. Число проходов света в резонаторах может достигать 400. По оценке авторов проекта, минимально обнаруживаемое смещение Л должно составлять величину порядка 10 -20, что соответствует удлинению плеча на полмикрона. Этого достаточно для обнаружения гравитационных волн.

Оптическая схема интерферометра ЛИГО позволяет накапливать световую энергию между зеркалами, а большая длина его плеч дает возможность обнаружить смещения пробных масс на величину 10 -20, то есть на 0,5 мкм.

Все оптические элементы — зеркала и светоделитель — исключительно высокого качества, делались по специальным заказам. Поверхности зеркал отшлифованы с точностью до 1/1300 длины волны света, показатель их поглощения α = 0,001 %. Диаметр зеркал — 25 см, толщина — 10 см, их слабосферические поверхности имеют радиусы кривизны от 7,4 до 14,9 км. Светоделителем служит плоскопараллельная пластина толщиной 4 см.

Каждое плечо интерферометра заключено в вакуумированную трубу диаметром 1,2 м, а пробные массы порядка 100 кг подвешены на стальных струнах в вакуумных камерах. Предусмотрены все меры для того, чтобы изолировать их от воздействия всевозможных помех. Вакуумные камеры надежно изолированы от земли для устранения сейсмических шумов. Кроме специальных антисейсмических платформ применено сложное оборудование для предотвращения вибраций (в широком диапазоне частот) и тепловых деформаций.

Термин «нулевой цикл» пришел к нам от строителей, именно так они называют все, что связано с сооружением фундамента. Дело это, как известно, дорогое и сложное, но проходит время, завершаются работы нулевого цикла, и на прочном фундаменте вырастает большой красивый дом. Жильцы его радуются просторным комнатам, приятной отделке стен и похваливают строителей, но ни о каком нулевом цикле они, конечно, не вспоминают, а, скорее всего, просто не знают о нем. Ситуация вполне, между прочим, объяснимая, очень напоминает то, как мы с вами оцениваем успехи медицины. Подобно обитателям нового дома, мы видим в основном то, что видим: высокое мастерство врачей, все более мощное их электронное вооружение, все более широкий ассортимент сильных лекарственных средств. И не очень известно широкой публике, что сегодня в огромных масштабах и с миллиардными вложениями капитала ведутся работы нулевого цикла, сооружается мощнейший научный фундамент, на котором уже начинает воздвигаться здание медицины третьего тысячелетия.